www.ptspaper.de
»
FASERN UND
COMPOSITE
»
VERPACKUNG UND
KONFORMITÄT
» DRUCK UND
FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN
»
PAPIERWIRTSCHAFT 4.0
»
MATERIALPRÜFUNG
UND ANALYTIK
PTS-FORSCHUNGSBERICHT IGF 17614
ERHÖHUNG DES VOLUMENS VON VERPACKUNGSPAPIEREN BEI
GLEICHBLEIBENDEN FESTIGKEITSEIGENSCHAFTEN DURCH EINEN
WIRKUNGSVOLLEN EINSATZ VON FASERERSATZSTOFFEN
R. Grenz und S. Schramm:
Erhöhung des Volumens von Verpackungspapieren bei gleichbleibenden Festigkeitseigenschaften
durch einen wirkungsvollen Einsatz von Faserersatzstoffen
(Faserersatzstoffe)
PTS-Forschungsbericht 26/14
April 2015
Papiertechnische Stiftung (PTS)
Heßstraße 134
D - 80797 München
www.ptspaper.de
Download-Information:
Diese Studie steht auf der Homepage der
PTS zum Download bereit:
www.ptspaper.de/forschungsdatenbank
Ansprechpartner:
Dr. Reinhard Grenz
Tel. (089) 12146-272
[email protected]
Dipl.-Ing. Steffen Schramm
Tel. (03529) 551-679
[email protected]
Papiertechnische Stiftung PTS
Papiertechnisches Institut PTI
Heßstraße 134
80797 München
Papiertechnische Stiftung PTS
Institut für Zellstoff und Papier IZP
Pirnaer Straße 37
01809 Heidenau
Das Forschungsvorhaben IGF 17614 BG der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur
Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines
Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an
dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbereitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projektdurchführung.
1(79)
Erhöhung des Volumens von Verpackungspapieren bei gleichbleibenden Festigkeitseigenschaften durch einen wirkungsvollen Einsatz von Faserersatzstoffen
R. Grenz und S. Schramm
Inhalt
1
Zusammenfassung
4
2
Abstract
5
3
Einleitung
6
4
Material und Methoden
10
4.1
Aufbereitung der Rohstoffe und Additive
10
4.2
Wasser- und Stoffanalytik
10
4.3
Papieranalytik
11
4.4
Versuchspapiermaschine (VPM)
11
4.5
Satinage
12
4.6
Mahlung der Rohstoffe
12
5
Auswahl und Charakterisierung von Reststoffen der Lebensmittelerzeugung
13
5.1
Vorgehen
13
5.2
Ergebnisse
13
5.2.1 Auswahl der Rohstoffe ..................................................................................................... 13
5.2.2 Aufbereitung durch Mahlung im Labormaßstab ............................................................. 15
5.2.3 Charakterisierung der Faserersatzstoffe ......................................................................... 15
5.3
Zusammenfassung
19
6
Aufstellung und Beschaffung der notwendigen Rezepturbestandteile,
Versuchsplanung
20
6.1
Vorgehen
20
6.2
Ergebnisse
20
6.2.1 Flockungsverhalten .......................................................................................................... 20
6.2.2 Untersuchung des Entwässerungsverhaltens ................................................................ 23
6.2.3 Untersuchung von Zetapotential und Ladung (PCD) ..................................................... 26
6.3
Zusammenfassung
PTS-Forschungsbericht
30
www.ptspaper.de
PTS-FB XX/YY
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
2(79)
7
Mechanische Aufbereitung und chemische Vorbehandlung der Reststoffe zur
Herstellung von Faserersatzstoffen
30
7.1
Vorgehen
30
7.2
Ergebnisse
31
7.2.1 Mahlung im Technikumsmaßstab ................................................................................... 31
7.2.2 Versuche zur Vorquellung der Faserersatzstoffe mit Alkali ........................................... 31
7.2.3 Versuche zur Kationisierung ............................................................................................ 32
7.3
Zusammenfassung
8
Papierherstellung im Labormaßstab und Charakterisierung der Papiereigenschaften 37
8.1
Vorgehen
8.2
Ergebnisse
37
8.2.1 Einsatz unmodifizierter Faserersatzstoffe ....................................................................... 37
8.2.2 Versuche mit alkaligequollenen Faserersatzstoffen ....................................................... 47
8.2.3 Versuche zur Einwirkung kationischer Additive .............................................................. 48
8.3
Zusammenfassung
50
9
Papiertechnische Charakterisierung
50
9.1
Vorgehen
50
9.2
Ergebnisse
50
9.3
Zusammenfassung
54
10
Charakterisierung der Verarbeitungseigenschaften
54
36
37
10.1 Rill-/Faltbarkeit
54
10.2 Zusammenfassung
60
11
60
Optimierung der Papierherstellung im Labormaßstab
11.1 Vorgehen
60
11.2 Ergebnisse
61
11.3 Zusammenfassung
64
12
64
Ermittlung der Gesamtkosten
12.1 Vorgehen
64
12.2 Ergebnisse
64
12.3 Zusammenfassung
66
13
67
Benchmarking gegen Standard-AP-Stoff
13.1 Vorgehen
67
13.2 Ergebnisse
67
13.3 Zusammenfassung
68
14
68
Versuche auf der Versuchspapiermaschine
14.1 Vorgehen
68
14.2 Ergebnisse: Papiertechnische Charakterisierung der VPM-Papiermuster
68
14.3 Zusammenfassung
70
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
3(79)
15
71
Bewertung der Nachhaltigkeit
15.1 Vorgehen
71
15.2 Ergebnisse
72
15.2.1 Papiereigenschaften ................................................................................................... 72
15.2.2 Prozess-/Abwasserbelastung .................................................................................... 74
15.3 Zusammenfassung
75
16
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
75
17
Schlussfolgerungen
77
18
Literaturverzeichnis
77
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
4(79)
1 Zusammenfassung
Thema
Erhöhung des Volumens von Verpackungspapieren bei gleichbleibenden
Festigkeitseigenschaften durch einen wirkungsvollen Einsatz von Faserersatzstoffen
Ziel des Projekts
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines wirtschaftlichen
Verfahrens zur wirkungsvollen Nutzung von Rückständen aus der Lebensmittelerzeugung (Weizenstroh, Haferspelzen und Reishülsen) als Faserersatzstoffe bei der Herstellung von mehrlagigem Faltschachtelkarton (FSK). Dabei
sollten das spezifische Volumen und die Biegesteifigkeit bei Gewährleistung der
übrigen Festigkeitseigenschaften (vor allem der Gefügefestigkeit) erhöht
werden. Damit sollte das Kostensenkungspotential genutzt und ein Beitrag zur
Ressourcenschonung geleistet werden.
Papiereigenschaften
Mit dem Zusatz von Faserersatzstoffen konnten das spezifische Volumen und
die Biegesteifigkeit signifikant im Vergleich zu Standard-Faltschachtelkarton
verbessert werden. Es traten nur relativ geringe Verluste bei der Bruchkraft auf.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten eine deutliche Auflockerung der Papier-Mikrostruktur beim Einsatz von Faserersatzstoffen. Die Rill- und
Faltbarkeit der mit Faserersatzstoffen hergestellten dreilagigen Papiere erwies
sich als gut. Die Spaltfestigkeit wurde bei allen Faserersatzstoffen bis zu einer
Zusatzmenge von 20 % nicht beeinträchtigt.
Die Ergebnisse konnten auf den kontinuierlichen Papierherstellungsprozess
übertragen werden. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass Zusatzmengen von 20 % Faserersatzstoff bei der Papierherstellung eingesetzt werden
können, ohne die Einhaltung der für FSK üblichen Spezifikationen zu gefährden.
Kostenberechnung
Beim Einsatz von Weizenstroh, Haferspelzen und Reishülsen als Faserersatzstoffe sind mit dem Einsatz von Altpapier vergleichbare Rohstoffkosten zu
erwarten. Im Vergleich zu Holzstoff ist ein deutliches Einsparpotential vorhanden. Mit signifikanten Mehrkosten durch erhöhten Additivbedarf und negativen
Einflüssen auf das Abwasser und das Recyclingverhalten ist nicht zu rechnen.
Damit kann mit dem Einsatz von Faserersatzstoffen eine deutliche Verbesserung des spezifischen Volumens und der Biegesteifigkeit bei gleichen oder
reduzierten Rohstoffkosten erreicht werden.
Nachhaltigkeitsbetrachtung
In Hinblick auf die Belastung von Prozess- und Abwasser mit organischen
Inhaltsstoffen (CSB, TOC, AOX) sowie anorganischen Verbindungen (Ammonium, Nitrat, Nitrit und ortho-Phosphat) und in Hinblick auf die aquatoxikologische
Wirkung auf Lemna minor resultieren aus dem Einsatz von Faserersatzstoffen
auf Basis von Reishülsen, Weizenstroh und Haferspelzen keine schwerwiegenden Probleme bei der Abwasserreinigung.
Nutzen und
wirtschaftliche
Nebenprodukte der Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie mit keinem oder
geringem Marktwert können heutige Faserstoffe – insbesondere Altpapier und
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
Bedeutung des
Forschungsthemas für kleine
und mittlere
Unternehmen
(kmU)
5(79)
Holzstoff – in Papierprodukten anteilig ersetzen. Mit Faserersatzstoffen können
der Papierindustrie damit preiswerte Rohstoffe zur Produktion von Faltschachtelkarton mit hohem spezifischem Volumen und hoher Biegesteifigkeit zur Verfügung gestellt werden. Dies ermöglicht Kosteneinsparungen, modifizierte Produkteigenschaften, reduzierte Umweltbelastungen und ökologische Verkaufsargumente.
Damit sind kleine und mittlere Unternehmen der Papierbranche in der Lage,
Faltschachtelkarton unter verbesserten Rahmenbedingungen zu produzieren
und mit ihren Endprodukten gleichzeitig einen zunehmend ökologisch ausgerichteten Endnutzermarkt anzusprechen.
2 Abstract
Theme
Increasing the specific volume of packaging papers at constant strength properties through effective use of fiber substitutes
Project objective
The aim of the project was to develop an economical process for the effective
use of residues from the production of food (cereal straw, oat husks and rice
husks) as fiber substitutes in the production of multilayer folding boxboard. The
specific volume and the bending stiffness should be increased without losses of
strength properties, especially the structural strength. The project results should
provide a significant contribution to sustainability through increased value and
saving resources.
Paper properties
The specific volume and the bending stiffness could be increased significantly in
comparison with standard folding boxboard by the use of fibre substitutes. Only
small losses in tensile strength were observed. Scanning electron micrographs
showed a significant bulking of the paper microstructure by the use of the fibre
substitutes. The creasability and folding properties of the three-layered folding
boxboard samples produced with fibre substitutes were assessed as good. The
ply bond strength was not impaired by an addition of 20 % of fibre substitutes.
The transferability of the laboratory results to the continuous paper production
process could be validated. The project results indicate that 20 % of fibre
substitutes may be used in paper production, maintaining at the same time the
usual specifications for folding boxboard.
Cost calculation
Raw material costs comparable with waste paper are to be expected if using
wheat straw, oat husks and rice husks as fibre substitutes. They present a
significant potential for cost reduction in comparison with mechanical pulps.
Additional costs will not be caused by increased additive consumption, negative
influences on effluent composition or the recyclability in all probability. A significant enhancement of specific volume and bending stiffness can be achieved by
the use of fibre substitutes without increasing the raw material costs.
Sustainability
considerations
Fibre substitutes based on rice husks, wheat straw and oat husks do not
present severe problems in the wastewater treatment caused by contaminations
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
6(79)
of the process water or effluents with organic (COD TOC, AOX) or inorganic
(ammonium, nitrate, nitrite and orthophosphate) loads or an aquatoxic effect on
Lemna minor.
Economic
relevance of this
research subject
for small and
medium enterprises (SME)
Byproducts from agriculture or the food industry without or with a low market
value can substitute in part the fibre materials currently used in the production of
paper products – especially waste paper and mechanical pulps. Fibre substitutes
present inexpensive raw materials for the paper industry in the production of
folding boxboard with high specific volume and bending stiffness.
Subsequent cost reductions, modified product properties, reduced environmental
load and ecological sale arguments enable small and medium-sized enterprises
of the paper industry to produce folding boxboard under improved conditions.
They can additionally address the more and more ecologically oriented end-user
market with their products.
3 Einleitung
Potential für den
Einsatz von
Faserersatzstoffen
Zu den wichtigsten Eigenschaften bei Verpackungskarton zählen das spezifische Volumen bzw. die Rohdichte und die Festigkeitseigenschaften. Die
Festigkeit von Verpackungspapieren ist für die Sicherung des Verpackungsguts
von entscheidender Bedeutung. Für Faltschachtelkarton steht die Biegesteifigkeit im Vordergrund, die über den E-Modul und das spezifische Volumen
definiert wird. Bei der Kartonherstellung wird eine geringe Rohdichte (hohes
spezifisches Volumen, Bulk) angestrebt. Dabei dürfen die Festigkeitseigenschaften jedoch nicht beeinträchtigt werden.
Der Einsatz von Reststoffen der Lebensmittelerzeugung bei der Papierherstellung anstelle von Faserstoff („Faserersatzstoffe“) bietet das Potential zur
Erhöhung des Kartonvolumens. Diese Reststoffe werden derzeit einerseits als
Futtermittel, andererseits energetisch genutzt.
Frühere Arbeiten der Forschungsstelle hatten gezeigt, dass große Mengen von
faserfremden Bestandteilen, wie Füllstoffen, in Papiere ohne Festigkeitsverlust
eingebunden werden können. Dies ließ erwarten, dass auch das Potential von
Faserersatzstoffen zur Volumenerhöhung von Faltschachtelkarton genutzt
werden kann.
Papiere für
Verpackungszwecke
Im Jahr 2013 wurden in Deutschland ca. 10,9 Mio t Papier, Karton und Pappe
für Verpackungszwecke hergestellt, davon 2,5 Mio. t Maschinenkarton. Der
Anteil von Faltschachtelkarton (FSK), der wichtigsten Sorte, beträgt dabei ca.
60 % [1]. Bei FSK handelt es sich nach DIN 6730 um einen Karton, der sich auf
Grund seiner Falz-, Ritz-, Rill-, Nut- und Bedruckbarkeit besonders zum Herstellen von Faltschachteln eignet, die vor allem als Verkaufsverpackungen genutzt
werden. Die Funktion des Kartons erfordert u. a. ein hohes spezifisches Volumen und eine hohe Steifigkeit. Die flächenbezogene Masse liegt im Allgemeinen im Bereich von 220 bis 600 g/m².
Rohstoffsituation Bei der Herstellung von Faltschachtelkarton wird primär Altpapier eingesetzt. In
der Mittellage von mehrlagigem Faltschachtelkarton (vor allem bei höherwertigen Sorten) werden zusätzlich Faserstoffe auf Holzstoffbasis verwendet. Die
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
7(79)
Nachfrage nach Primär- und Sekundärfaserstoffen als Papierrohstoff steigt seit
Jahren stark an. Einer der Gründe ist die kontinuierliche Expansion der asiatischen Papierindustrie und die damit verbundene, verstärkte Nachfrage nach
cellulosebasierten Rohstoffen. Gleichzeitig hat die Altpapierqualität ständig
abgenommen. Aufgrund der zum Teil ungenügenden Verfügbarkeit einzelner
AP-Sorten muss häufig auf schlechtere Sorten ausgewichen werden, was die
Qualität des Endprodukts und die Produktivität verschlechtert.
Diese Randbedingungen führen zusammen mit der zunehmenden Nutzung von
Holz als Brennstoff zu einer deutlichen Verknappung und damit Verteuerung
von holzbasierten Faserstoffen. Derzeit betragen die Kosten für holzstoffbasierte Faserstoffe bei der Kartonherstellung bereits ca. 30 % der gesamten Produktionskosten.
Durch den Einsatz von Faserersatzstoffen auf der Basis von Ernterückständen
Nutzungsvon Halmfrüchten (z. B. Weizenstroh) und Mühlennebenprodukten (z. B.
potential für
Faserersatzstoffe Haferspelzen) kann eine Erhöhung des spezifischen Volumens erreicht werden.
Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul sind u. a. von den Faser-Faser-Bindungen
abhängig. Beide Parameter werden maßgeblich durch die Anzahl, die Größe
und die Stärke der Bindungen zwischen den Papierbestandteilen beeinflusst.
Faserförmige, flexible Teilchen können dabei mehr Bindungen ausbilden als
globuläre oder starre Partikel
Durch die Verwendung reststoffbasierter Faserersatzstoffe anstelle von Altpapierstoff können sowohl die Papiereigenschaften verbessert als auch der
Ressourcenknappheit entgegengewirkt und die Umwelt entlastet werden.
Die Faserersatzstoffe konnten bisher noch nicht optimal genutzt werden, da ihre
Aufbereitung, ihre Einbindung in die Papiermatrix, die Eigenschaftsentwicklung
des Papiers, ihre Einflüsse auf den Herstellungsprozess und das Recyclingverhalten noch nicht ausreichend geklärt waren.
Aufbau und
Zusammensetzung von FSK
In Europa wird Faltschachtelkarton (FSK) meist mittels mehrlagiger Blattbildungssysteme hergestellt. Dabei werden als Rohstoffe neben Frischfasern
vorwiegend altpapierbasierte Faserstoffe eingesetzt. Die Auswahl der Faserstoffe für die Einzellagen erfolgt anhand der zu erfüllenden Funktion der jeweiligen
Lage (Abb. 1 und Tab. 1).
Strich
Decke
Schonschicht
Einlage
Rückseite
Abb. 1: Schematischer Aufbau eines typischen Faltschachtelkartons
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
8(79)
Tab. 1: Bestandteile eines Faltschachtelkartons
Lage
Anteil am Karton
Decklage
10%
Schonschicht
10 %
Einlage
70 %
Rückenlage
10 %
Funktion
Rohstoffbasis
Schutz vor äußeren
Einflüssen, rillstabil
Gebleichte Zellstoffe, weiße Späne, hochwertige Deinkingstoffe
Optische und mechanische Sperre zur Einlage
Holzstoffe, helle Späne,
Deinkingstoff
Hohes spezifisches
Volumen, hohe Steifigkeiten
Holzschliff, TMP, gemischtes
Altpapier
Dichte Oberfläche,
teilweise lebensmitteltauglich
Gebleichte oder ungebleichte
Zellstoffe, Holzstoff, Deinkingstoff
Auf die Decklage werden bei hochwertigen Sorten zur Verbesserung der
Bedruckbarkeit zusätzlich mehrere Pigmentstrichschichten aufgetragen.
Defizite
vorhandener
Verpackungsprodukte
Die Steifigkeit stellt das Hauptqualitätskriterium an FSK dar und muss in erster
Linie über die Zusammensetzung bzw. Behandlung der Einlage gesteuert
werden. Die Biegesteifigkeit von Einlagen aus Holzstoffen, die über ein hohes
spezifisches Volumen verfügen, ist jedoch sehr gering. Dagegen ist das spezifische Volumen von zur Steifigkeit beitragenden, altpapierbasierten Faserstoffen
im Vergleich zu Holzstoff sehr niedrig.
Methoden zur
Volumenerhöhung
Zur Verminderung der Rohdichte von FSK werden in der Mittellage (Einlage)
meist holzstoffbasierte Fasern eingebracht. Dafür kommen Steinschliff, CTMP
oder BCTMP [2] in Frage. Da es sich bei der Erzeugung von Steinschliff und
CTMP um sehr energieintensive Prozesse handelt, wird dieser Weg vor allem
bei hochwertigen Kartonmaterialien beschritten. Bei preisgünstigem FSK wird
dagegen vor allem altpapierbasierter Faserstoff in der Einlage verwendet. Die
Biegesteifigkeit von FSK kann ohne Qualitätsverluste durch eine Variation der
flächenbezogenen Massen von Deck- zu Mittellage und eine Erhöhung des EModuls der Decklage gesteigert werden [3].
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des spezifischen Volumens besteht im
Einsatz spezieller anorganischer Füllstoffe – vor allem gefällte Silicate und
gefälltes Calciumcarbonat (PCC), seltener auch calciniertes Kaolin [4]. Die
volumensteigernde Wirkung ist jedoch relativ gering – bei deutlichen Festigkeitsverlusten. Daneben stehen auch organische Füllstoffe zur Volumenerhöhung zur Verfügung, z. B. gemahlene, cellulose-, altpapier- und holzstoffbasierten Füllstoffe [5]. Sogenannte Expansionspigmente können eine starke
Volumenerhöhung bewirken [6]. Nachteil dieser Füllstoffe ist ihr sehr hoher
Preis.
Bisher fehlte eine preisgünstige Option zur Erhöhung des spezifischen Volumens von mehrlagigem Faltschachtelkarton.
Festigkeitsprobleme beim
Beim Einsatz faserfremder Bestandteile, wie Füllstoffen, werden die FaserFaser-Bindungen infolge der Abnahme der Anzahl von Wasserstoffbrückenbin-
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
9(79)
Einsatz von
Füllstoffen
dungen geschwächt. Dies führt zu einem Rückgang der Festigkeitseigenschaften, unter anderem der Gefüge- bzw. Spaltfestigkeit. Zur Verbesserung der
Festigkeitseigenschaften werden in der Regel hydrophile, hydroxylgruppenreiche Polymere (z. B. Stärke, Guar oder CMC) eingesetzt, die an die Fasern
gebunden werden und zur Ausbildung zusätzlicher Faser-Faser-Bindungen
führen [7, 8].
Optionen zur
Erhöhung der
Retention und
der Bindekraft
Bei den zur Herstellung von Faserersatzstoffen vorgesehenen Rohstoffen
handelt es sich um organische, weitgehend inerte Stoffe mit einem sehr geringen Gehalt an hydrophilen funktionellen Gruppen (z. B. Hydroxylgruppen), was
zu einer schlechten Retention und zu einer Verminderung der Gefügefestigkeit
führen kann. Zur Verminderung dieser Einflüsse können zusätzliche Bindekräfte
zwischen dem jeweiligen Zusatzstoff und den Cellulosefasern geschaffen
werden.
Dazu standen prinzipiell mehrere Optionen zur Verfügung:
Eine Oberflächenaktivierung der Faserersatzstoff-Oberflächen durch Ausbildung
zusätzlicher Wasserstoffbrücken mittels Anquellen mit verdünnten Alkalien
(z. B. Natriumhydrogencarbonatlösung oder Natronlauge) [8, 9]. Die so aktivierten Faserersatzstoffe können anschließend mit konventionellen Retentionsbzw. Fixiermitteln (z. B. cPAM, PVAm, Poly-DADMAC oder kationische Stärke)
retendiert werden.
In der Literatur ist der Zusatz kationisierter Faserstoffe (z. B. TMP) beschrieben,
die prinzipiell zu einer Festigkeitssteigerung führen können [10, 11]. Daher
wurden auch Versuche zur Kationisierung der Faserersatzstoffe durchgeführt.
Eine direkte Kationisierung der Faserersatzstoff-Oberfläche mit Kationisierungsreagentien, wie z. B. 3-Chlor-2-hydroxypropyl-trimethylammoniumchlorid (CHTAC),
wurde ebenfalls nicht in Betracht gezogen, da die entsprechende chemische
Verfahrenstechnik in einer Papierfabrik oder einer Getreidemühle nicht zur Verfügung steht. Ihr Aufbau und ist kostenintensiv und aus Gründen der Arbeitssicher-
heit in der Papierindustrie oder einer Mühle in der Regel nicht erwünscht.
Eine Nutzung von Polyelektrolyt-Mehrschichtstrukturen ist prinzipiell möglich,
jedoch mit relativ hohen Additivkosten verbunden. Daher wurde diese Option
nicht weiterverfolgt.
Forschungsziel
Zur Klärung der offenen Fragestellungen wurde ein Forschungsprojekt durchgeführt, bei dem ein wirtschaftliches Verfahren zur wirkungsvollen Nutzung von
Rückständen aus der Lebensmittelerzeugung (Weizenstroh, Haferspelzen und
Reishülsen) als Faserersatzstoffe bei der Herstellung von mehrlagigem Faltschachtelkarton entwickelt wurde.
Wichtige Teilziele waren
• Die Nutzung des Potentials hinsichtlich der Steigerung des spezifischen
Volumens und der Verbesserung des Entwässerungsverhaltens
• Die Gewährleistung einer ausreichenden Gefügefestigkeit
• Eine Nutzung des Kostensenkungspotentials
• Ein Beitrag zur Ressourcenschonung
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
10(79)
4 Material und Methoden
4.1 Aufbereitung der Rohstoffe und Additive
Rohstoffe
Der Zellstoff wurde nach Standardverfahren im Standarddesintegrator aufgeschlagen (10 Minuten). Die Faserstoffdispersion wurde anschließend im Stoffverteiler auf 0,5% Stoffdichte verdünnt.
Die zur Verwendung als Faserersatzstoffe gemahlenen Reststoffe wurden mit
Wasser aufgerührt und jeweils als Slurry eingesetzt.
Additive
Kationische Stärke
12,5g kationische Stärke wurden über ein Sieb in 400 ml warmes Leitungswasser
gegeben, eingerührt und 50 Min. bei 95 °C aufgekocht. Nach langsamem Abkühlen
auf Raumtemperatur wurde die Lösung unter Rühren über ein Schopper-RieglerSieb in ca. 400ml kaltes Leitungswasser abfiltriert und nochmals 10 Minuten
weitergerührt. Zielwert für den Trockengehalt: 1 %.
Kationisches Polyacrylamid (cPAM)
1,0 g cPAM wurden in 1.000g Leitungswasser unter starker Scherung gelöst.
Anschließend wurde zur Stabilisierung mit verdünnter Schwefelsäure auf pH 5
eingestellt.
Weitere Details sind jeweils in den einzelnen Arbeitspaketen angegeben.
4.2 Wasser- und Stoffanalytik
Messverfahren
Die folgenden Messmethoden wurden angewandt (Tab. 2):
Tab. 2: Verfahren zur Charakterisierung des Stoffs und der Kreislaufwässer
Parameter
PTS-Forschungsbericht
Messmethode
Faser-Zetapotential
Gerätevorschrift SZP 06 (Mütek)
Ladungsdichte
Gerätevorschrift PCD 04 (Mütek)
Elektrische Leitfähigkeit
DIN EN 27888
pH-Wert
DIN 38404 T.5
Temperatur
DIN 38404 T.4
Abfiltrierbare Stoffe und
Glührückstand (Asche)
DIN 38409 T.2
CSB
Dr. Lange Küvettentest
Trübung
Nephelometrisch, Fa. Hach
Entwässerungsverhalten (Schopper-Riegler-Methode)
DIN ISO 5267 Teil 1
Entwässerungsverhalten (Dynamic Drainage Analyzer – DDA)
Gerätevorschrift DDA (Akribi AB)
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
11(79)
4.3 Papieranalytik
Normverfahren
Die folgenden Messverfahren wurden zur Charakterisierung der Papiereigenschaften angewandt (Tab. 3):
Tab. 3: Messverfahren zur Papiercharakterisierung
Parameter
4.4
Messmethode
Flächenbezogene Masse
DIN EN ISO 2286-2
Glührückstand (Asche)
DIN 54370
Dicke
DIN EN ISO 534
Bruchkraft, Bruchdehnung
DIN EN ISO 1924-2
Spaltfestigkeit (Internal Bond/Scott Bond)
TAPPI T 569
Berstfestigkeit
DIN EN ISO 2758
Biegesteifigkeit
DIN 53123-1
Streifenstauchwiderstand
DIN 54518
Versuchspapiermaschine (VPM)
Aufbau
In Abb. 2 ist die Versuchspapiermaschine der Forschungsstelle mit Dosierstellen
und Mischtechnik schematisch dargestellt:
Stoffauflauf
Stoff von Mischbütte
Rundverteiler
Dosierstelle 1
Dosierpumpe 1
Dosierpumpe 2
Fl
Fl
Stoffpumpe
Fl
MaschinenBütte
200 l
Dosierstelle 3
Dosierstelle 2
Statikmischer
Dosierpumpe 3
Dynamischer
Mischer
Füllstoffe
Retentionskomponente 1
Probenahme
Retentionskomponente 2
Abb. 2: Schematischer Aufbau der Versuchspapiermaschine (VPM)
Prozessablauf
Es werden die folgenden Prozessschritte durchlaufen (Tab. 4):
Tab. 4: Prozessschritte der Versuchspapiermaschine
Schritt
PTS-Forschungsbericht
Vorgang
Ort
1
Stoffansatz
Dickstoffbütte
2
Einstellung der Stoffdichte
Mischbütte
3
Dosierung der Fasersatzstoffe
Dosierstelle 1
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
4.5
12(79)
4
Dosierung der 1. Retentionsmittelkomponente
Dosierstelle 2
5
Eintrag hoher Scherenergien
(analog dem Sortierer einer PM)
Dynamischer Mischer
6
Dosierung der 2. Retentionsmittelkomponente
Dosierstelle 3
7
Eintrag einer mittelstarken Scherenergie
(analog zum Stoffauflauf einer PM)
Statischer Mischer
8
Blattbildung
Langsieb bzw.
Mehrlagenstoffauflauf
Satinage
Laborkalander
Die Satinage der Laborblätter erfolgte mit einem 2-Walzen-Laborkalander der
Firma Voith-Sulzer-Finishing, Krefeld (vormals Kleinewefers). Die obere Walze
ist eine elektrisch beheizte Stahlwalze von 140 mm Durchmesser. Die untere,
angetriebene Papierwalze von 170 mm Durchmesser wird hydraulisch gegen die
Stahlwalze gepresst. Die nutzbare Arbeitsbreite beträgt 320 mm.
Einfluss der
Satinagebedingungen
Zur Untersuchung des Einflusses der Satinagebedingungen auf das Kartonvolumen wurden die Kalanderdrücke zwischen 67 und 91 kN/m und die Temperaturen von 40 °C bis 80 °C variiert.
4.6
Mahlung der Rohstoffe
Labormaßstab
Die Faserersatzstoffe wurden im Labormaßstab zunächst mittels einer Schlagkreuzmühle vom Typ IKA Mikro-Feinmühle Culatti MFC vorgemahlen. Die
anfallende Grobfraktion wurde anschließend mit einer Mühle Typ IKA Analysenmühle A 10 weiter aufgemahlen. Die Auftrennung der einzelnen Größenfraktionen erfolgte trocken über Vibrations-Feinsiebe.
Technikumsmaßs Die Faserersatzstoffe wurden mittels einer Schlagnasenmühle Typ Jehmlich
Record A (Abb. 3) bei einem externen Dienstleister im Technikumsmaßstab
tab
gemahlen. Das Material wurde mittels eines Siebs mit einer Maschenweite von
200 µm abgesiebt und anschließend mit einer Siebkugelmühle Typ SKM 300
(Siebkorb mit Maschenweite 200 µm) nachgemahlen.
Technische Daten der Schlagnasenmühle
• Antriebsleistung: 2,2 kW
• Mahlraumdurchmesser: 230 mm
• Rotordurchmesser: 210 mm
• Mahlraumbreite: 150 mm
• Durchsatz: ca. 3 kg/h
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
13(79)
Abb. 3: Schlagnasenmühle
5
Auswahl und Charakterisierung von Reststoffen der Lebensmittelerzeugung
5.1
Vorgehen
RohstoffIm Rahmen der Arbeiten wurden die zur Herstellung von Faserersatzstoffen
charakterisierung einzusetzenden Rohstoffe ausgewählt und charakterisiert. Auswahlkriterien
waren die aktuellen Preise der Rohstoffe und die Ergebnisse der im Vorfeld
durchgeführten Vorversuche. Die Faserersatzstoffe wurden anhand ihrer Grundeigenschaften charakterisiert (Zusammensetzung, Ladungscharakteristik,
Partikelgröße, mögliche Einflüsse auf das Kreislaufwasser etc.). Anhand der
Ergebnisse wurden geeignete Modifizierungsmethoden und Rezepturbestandteile für die Blattbildungsversuche festgelegt. Ziel war die Einhaltung der für den
Sektor „mehrlagiger Faltschachtelkarton“ geltenden Spezifikationen.
5.2 Ergebnisse
5.2.1 Auswahl der Rohstoffe
Rohstoffe
Geeignete biogene Reststoffe aus dem Agrar- und Lebensmittelsektor können
Stängel, Blätter, Blüten, Samen, Früchte sowie Wurzeln sein. Im Hinblick auf die
Verfügbarkeit kommen Kulturpflanzen und deren Reststoffe und Verarbeitungsprodukte in Frage [12].
Die Verfügbarkeit von Faserersatzstoffen ist Voraussetzung für einen dauerhaft
gesicherten Einsatz. Zu beachten sind der Beschaffungsmarkt, mögliche Bereitstellungsketten, die zur Verfügung stehenden Mengen, die Lieferform des
Material und die Verfügbarkeit (Entfernung, zentral oder dezentral, kontinuierlich
oder diskontinuierlich/saisonal). Wichtig ist auch die aktuelle Verwendung des
Materials (Verwertung, Entsorgung).
Zur Auswahl war ein Screening notwendig, bei dem die erforderlichen Mengen,
die Preise, die Regionalität und die Verwendung zur Herstellung von Faltschachtelkarton berücksichtigt wurden.
Anhand der Auswahlkriterien wurden Weizenstroh, Haferspelzen und Reishülsen
zur Herstellung der Faserersatzstoffe festgelegt. Tab. 5 zeigt die Charakteristika
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
14(79)
der berücksichtigten Reststoffe.
Je nach Beschaffenheit muss der Faserersatzstoff gereinigt, zerkleinert, zerfasert, suspendiert und/oder chemisch modifiziert werden. Aus Kostengründen
wird beim Einsatz biogener Reststoffe bei der Papierherstellung in der Regel
eine rein mechanische Aufbereitung bevorzugt [13].
Tab. 5: Verfügbarkeitsdaten ausgewählter Reststoffe und Agrarprodukte [14]
Herkunft
Getreidestroh
Getreidespelzen
Reishülsen
Rückstände der
Halmfruchternte
MühlenNebenprodukte
Rückstände bei der
Reisgewinnung
0,19
(Deutschland)
120
(weltweit, vor allem
Asien)
Anfallmenge
Feuchtmasse
(Mio. t)
8 – 13
(verfügbares
Potential, Deutschland)
Wassergehalt
14 %
10 %
12 %
Derzeitige
Hauptnutzung
Verbleib am Feld
(Dünger), Tiereinstreu, Brennstoff,
Ethanolgewinnung
Brennstoff, Kissen
(Füllstoff)
Brennstoff
Anfall
dezentral, saisonal
zentral, ganzjährig
zentral (Import),
ganzjährig
Abb. 4: Ausgewählte biogene Reststoffe (links: Weizenstroh,
rechts: Haferspelzen)
Bei der Papierherstellung ist die Zerkleinerung und Überführung der Reststoffe in
eine prozessfähige Suspension von entscheidender Bedeutung. Zur Verwendung als Volumenbildner sind die Ansprüche an die Teilchenform nur gering.
Materialien ohne Fasercharakter können mit üblichen trockenen Zerkleinerungsverfahren aus der Mahltechnik (Brech-, Prall-, Schneid-, und Schermühlen)
prozess- und produktfähig gemacht werden. Die Wahl des geeigneten Aggregats
entscheidet sich nach Korngröße, Härte und Bruchverhalten des Mahlguts. Für
die Fein- und Feinstmahlung von weichen bis mittelharten organischen Materialien bot sich eine Trockenmahlung mit Prallmühlen einschließlich Siebung an.
Typische Aggregate sind Schlagkreuz- und Schlagrotormühlen. Mit diesen
lassen sich Endfeinheiten von unter 50 bis 100 µm erreichen.
Rohstoffaufbereitung
Je nach Beschaffenheit muss der Faserersatzstoff gereinigt, zerkleinert, zerfasert, suspendiert und/oder chemisch modifiziert werden. Aus Kostengründen
wird beim Einsatz biogener Reststoffe bei der Papierherstellung in der Regel
eine rein mechanische Aufbereitung bevorzugt [15].
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
15(79)
Bei der Papierherstellung ist die Zerkleinerung und Überführung der Reststoffe in
eine prozessfähige Suspension von entscheidender Bedeutung. Zur Verwendung als Volumenbildner sind die Ansprüche an die Teilchenform nur gering.
Materialien ohne Fasercharakter können mit üblichen trockenen Zerkleinerungsverfahren aus der Mahltechnik (Brech-, Prall-, Schneid-, und Schermühlen)
prozess- und produktfähig gemacht werden. Die Wahl des geeigneten Aggregats
entscheidet sich nach Korngröße, Härte und Bruchverhalten des Mahlguts. Für
die Fein- und Feinstmahlung von weichen bis mittelharten organischen Materialien bietet sich eine Trockenmahlung mit Prallmühlen einschließlich Siebung an.
Typische Aggregate sind Schlagkreuz- und Schlagrotormühlen. Mit diesen
lassen sich Endfeinheiten von unter 50 bis 100 µm erreichen.
5.2.2 Aufbereitung durch Mahlung im Labormaßstab
Labormahlungsversuche
Die ausgewählten Rohstoffe wurden beschafft und mittels einer Schlagkreuzmühle vom Typ IKA Mikro-Feinmühle Culatti MFC vorgemahlen. Die
vorgemahlenen Rohstoffe wurden anschließend mit einer Labormühle vom Typ
IKA A 10 auf den gewünschten Teilchendurchmesser von ca. 50 – 150 µm
aufgemahlen. Die gewünschten Einzelfraktionen von > 150 µm, 50 – 150 µm
und < 50 µm wurden über ein Vibrationssieb abgetrennt.
5.2.3 Charakterisierung der Faserersatzstoffe
REM-Aufnahmen
Zur Charakterisierung der gemahlenen Fraktionen wurden zunächst rasterelektronenmikroskopische (REM-) Aufnahmen angefertigt (Abb. 5 – Abb. 7).
Abb. 5: REM-Aufnahmen: Haferspelzen, 100x (links), 500x (rechts)
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
16(79)
Abb. 6: REM-Aufnahmen: Weizenstroh, 100x (links), 500x (rechts)
Abb. 7: REM-Aufnahmen: Reishülsen, 100x (links), 500x (rechts)
Aus den Abbildungen ist die im Vergleich zu den beiden anderen Rohstoffen
deutlicher ausgeprägte faserförmige Struktur des gemahlenen Strohs zu erkennen.
Lösemittelextraktion:
n-Heptan
Die gemahlenen Rohstoffe wurden mit n-Heptan extrahiert, um hydrophobe
Bestandteile zu identifizieren und quantifizieren (Tab. 6).
Tab. 6: Details der n-Heptan-Extraktion
• Soxhlet-Extraktion (200 ml n-Heptan, 3h
• Einengen der Extrakte am Rotationsverdampfer
• Trocknung bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz
• Gravimetrische Bestimmung des Trockenrückstands
• Aufnehmen des trockenen Rückstands mit n-Heptan und Auftragen auf
einen NaCl-Kristall zur FTIR-spektrometrischen Untersuchung
IR-Spektrometrie
des n-Heptanextrakts
Von den eingedampften n-Heptanextrakten wurden FTIR-Spektren angefertigt,
um die hydrophoben Bestandteile zu identifizieren. Die FT-IR-Spektren der nHeptanextrakte der Haferspelzen und der Reishülsen waren sehr ähnlich. Sie
deuteten auf die Anwesenheit von Esterverbindungen, wie z. B. Fettsäureestern
hin. Das FTIR-Spektrum des Weizenstrohs wies außerdem die Absorptionsbanden von Salzen organischer Säuren auf.
Wasserextrakte
Die gemahlenen Rohstoffe wurden mit kaltem und heißem destilliertem Wasser
extrahiert, um Menge und Art der hydrophilen Bestandteile zu ermitteln (Tab. 7
und Tab. 8).
Tab. 7: Details der Kaltwasserextraktion
• Einwaage: 0,5 g
• Schütteln mit 300 ml dest. Wasser (RT, 48 h)
• Filtration über Faltenfilter
• Trocknung bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz
• Gravimetrische Bestimmung des Trockenrückstands
• Präparation des trockenen Rückstands als KBr-Pressling zur FTIRspektrometrischen Untersuchung
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
17(79)
Tab. 8: Details der Heißwasserextraktion
• Einwaage: 0,5 g
• Extraktion mit 100 ml dest. Wasser bei 40 °C/30 min.
• Filtration über Faltenfilter
• Trocknung bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz
• Gravimetrische Bestimmung des Trockenrückstands
• Präparation des trockenen Rückstands als KBr-Pressling zur FTIRspektrometrischen Untersuchung
Charakterisierung des
Wasserextrakts
Die Wasserextrakte wurden zunächst hinsichtlich der Parameter CSB, kationischer Bedarf, pH-Wert und Leitfähigkeit untersucht.
150,00
140,00
[mg/g otro]
130,00
120,00
110,00
100,00
90,00
80,00
Dinkelspelzen
Stroh
Reishülsen
Haferschalen
Abb. 8: CSB im Wasserextrakt
Die Haferspelzen zeigten den höchsten, die Reishülsen den geringsten chemischen Sauerstoffbedarf. Insgesamt lag die Belastung jedoch sehr niedrig.
Abb. 9: Kationischer Bedarf im Warmwasserextrakt
Der kationische Bedarf des Wasserextrakts liegt bei den Reishülsen am niedrigsten, bei den Dinkelspelzen am höchsten. Eine Zentrifugation (4000 Upm, 10
min.) senkt den kationischen Bedarf signifikant gegenüber der mit dem SR-Sieb
abgenommenen Probe.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
18(79)
Tab. 9: pH-Wert, Leitfähigkeit und Trockengehalt des Wasserextrakts
pH-Wert
Leitfähigkeit
(mS/cm)
Trockengehalt
(%)
Weizenstroh
8,4
770
92,9
Haferspelzen
8,4
685
91,0
Reishülsen
8,1
570
89,8
Die pH-Werte, Leitfähigkeiten und Trockengehalte der einzelnen Rohstoffe
zeigten keine signifikanten Unterschiede.
Tab. 10: Trockenrückstände der n-Heptan- und Wasserextrakte (Mittelwerte)
n-Heptanextrakt
Kaltwasserextrakt
Heißwasserextrakt
Weizenstroh
1,02
6,06
6,54
Haferspelzen
0,32
3,15
5,16
Reishülsen
0,32
1,31
4,04
Das Weizenstroh besaß den höchsten Anteil von mit n-Heptan extrahierbaren
Bestandteilen im Vergleich mit Haferspelzen und Reishülsen. Der Anteil der mit
kaltem Wasser extrahierbaren Anteile lag beim Weizenstroh ebenfalls am
höchsten. Dabei war der Unterschied zwischen den mit kaltem und heißem
Wasser extrahierbaren Stoffen nur gering. Im Gegensatz dazu war der kaltwasserlösliche Anteil bei den Haferspelzen und vor allem den Reishülsen deutlich
geringer, während die Unterschiede zwischen Kalt- und Heißwasserextrakt hier
deutlich höher ausfielen.
Charakterisierun
g des
Wasserextrakts
Analog zu den n-Heptanextrakten wurden die Trockenrückstände der Wasserextrakte FTIR-spektrometrisch untersucht. Die FT-IR-Spektren der Wasserextrakte
aller drei Rohstoffe waren sehr ähnlich. Sie deuten auf die Anwesenheit von
Kohlenhydratverbindungen, wie Stärke oder Cellulosederivaten hin.
Partikelgröße
Die Abb. 7 zeigt die Partikelgrößenverteilung der verschiedenen gemahlenen
Rohstoffe.
Die Partikelgrößenverteilungen der gemahlenen Rohstoffe zeigten geringe
Unterschiede. Insgesamt lag die mittlere Teilchengröße der gemahlenen Reishülsen signifikant unter denen der übrigen Rohstoffe.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
19(79)
160
140
Partikelgröße [µm]
120
100
80
60
D10
40
D50
D90
20
Mean
Maximum
0
Dinkel
Stroh
Reis
Hafer
Abb. 10: Partikelgrößenverteilung der gemahlenen Rohstoffe,
Siebfraktion < 100 µm
Zetapotential
In Abb. 8 sind die Zetapotentiale in Abhängigkeit vom pH-Wert und die Isoelektrischen Punkte (IEP) der gemahlenen Rohstoffe zusammengestellt.
20
10
IEP
0
Reis
IEP
IEP
Stroh
Hafer
ZP [mV]
IEP
-10
-20
-30
-40
-50
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
pH
Abb. 11: Zetapotentiale der gemahlenen Rohstoffe in Anhängigkeit
vom pH-Wert
Die Zetapotentialkurve liegt bei den gemahlenen Reishülsen bei signifikant
negativeren Werten als bei den beiden anderen Rohstoffen. Die Kurve beim
gemahlenen Weizenstroh liegt bei den geringsten negativen Werten. Die Isoelektrischen Punkte liegen im gleichen Bereich von etwa 2 – 3. Dabei ist der IEP
bei den Reishülsen am geringsten und bei den Haferspelzen am höchsten.
5.3 Zusammenfassung
Fazit
PTS-Forschungsbericht
Insgesamt erwies sich die organische und anorganische Belastung der wässrigen Extrakte aller drei geprüften Rohstoffe als sehr gering. Durch den Einsatz
von gemahlenen Rohstoffen auf Basis von Reishülsen, Weizenstroh und Haferspelzen war damit keine signifikante zusätzliche Belastung der Papiermaschinenkreisläufe zu erwarten.
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
6
20(79)
Aufstellung und Beschaffung der notwendigen Rezepturbestandteile,
Versuchsplanung
6.1 Vorgehen
Rezepturentwicklung
Im Rahmen der Arbeiten wurden die neben den Faserersatzstoffen für die
Blattbildungsversuche notwendigen Faserstoffe und Additive festgelegt. Dazu
wurden qualitative und quantitative Flockungsversuche sowie Entwässerungsmessungen mit verschiedenen Retentionsmitteln durchgeführt.
6.2 Ergebnisse
6.2.1 Flockungsverhalten
Flockungsverhalten
qualitativ
Zur Vorbereitung der Blattbildungsversuche wurden orientierende Flockungsversuche mit den verschiedenen Faserersatzstoffen und kationischem Polyacrylamid (cPAM) durchgeführt (Abb. 9).
Abb. 12: Qualitative Flockungsversuche mit cPAM
Ohne Zusatz von Flockungsmittel
Bei den Haferspelzen konnte nach 30 Minuten ein deutliches Sediment beobachtet werden. Die überstehende Lösung war durch Feinstoffe getrübt. Das
Sediment konnte nach 3 Stunden relativ schwierig wieder aufgewirbelt werden,
da es sehr klebrig war und am Boden des Reagenzglases haften blieb. Beim
Weizenstroh wurde ebenfalls nach 30 Minuten ein deutliches Sediment beobachtet. Eine Trübung in der überstehenden Lösung war noch erkennbar. Die
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
21(79)
Lösung war hier im Vergleich zu den anderen Faserersatzstoffen am klarsten.
Auch hier war das Sediment klebrig. Reishülsen: Auch hier wurde nach 30
Minuten ein deutliches Sediment gefunden. Die überstehende Lösung war
getrübt und das Sediment war klebrig. Die Trübstoffe setzen sich bei allen
Faserersatzstoffen auch ohne Zusatz von Additiven langsam ab (Abb. 10).
Mit cPAM
Nach der Zugabe des cPAM war bei allen Faserersatzstoffen eine Verzögerung
der Flockung zu beobachten. Bei allen Rohstoffen wurde ein lockeres, gallertartiges Sediment gefunden. Die Haferspelzen bildeten mit cPAM relativ grobe
Flocken und setzten sich relativ schnell ab. Die Flockung des Weizenstrohs mit
cPAM fiel feiner als die von Haferspelzen aus. Die Sedimentation erfolgte
langsamer als bei den Reishülsen. Bei den Reishülsen wurde mit cPAM eine
feine Flockung beobachtet, die schnell sedimentiert. Im Überstand verblieb eine
ganz leichte Trübung (Abb. 11).
Abb. 13: Haferspelzen – Weizenstroh – Reishülsen 30 min.
Abb. 14: Haferspelzen – Weizenstroh – Reishülsen + cPAM
Flockungsverhalten
quantitativ
Nach den orientierenden Flockungsversuchen wurden quantitative Flockungsversuche mit verschiedenen Retentionsmitteln unter Verwendung einer analytischen Zentrifuge vom Typ LUMiFuge der Firma LUM durchgeführt (Abb. 15 –
Abb. 18).
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
22(79)
Abb. 15: Transmissionskurven – Flockungsversuche mit Weizenstroh
Integrale Transmission
[%]
Die beste Aufklarung konnte bei allen drei Faserersatzstoffen mit cPAM erreicht
werden. Es war jedoch zunächst eine sehr hohe Dosierung notwendig (→
Überflockung). Daher wurden Versuche mit einer Kombination von cPAM mit
Fixiermittel durchgeführt, um die cPAM-Dosiermenge reduzieren zu können. Die
Flockung mit Poly-DADMAC bewirkte eine stärkere Resttrübung als bei cPAM.
Die drei Rohstoffe zeigten dabei ein sehr ähnliches Verhalten. Mit PVAm lag
ebenfalls eine höhere Resttrübung als bei cPAM vor. Dabei konnte eine deutliche Differenzierung der Faserersatzstoffe beobachtet werden (Trübung bei
Haferspelzen > Weizenstroh > Reishülsen). Stärke, Guar und Polyethylenimin
(PEI) zeigten nur eine relativ geringe Flockungswirkung (Abb. 16 – Abb. 18).
100
200
Upm
80
2000
Upm
4000
Upm
60
40
20
0
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
8 min
Reis_Percol_0.5
Stroh_Percol_0.5
Hafer_Percol_0.5
Abb. 16: Flockung mit cPAM, Integrale Transmission, Mittelwert
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
Integrale Transmission
[%]
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
100
23(79)
200
Upm
80
2000
Upm
4000
Upm
60
40
20
0
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
8 min
ReisCatiofast_0.5
Stroh_Catiofast_0.5
Hafer_Catiofast_0.5
Integrale Transmission
[%]
Abb. 17: Flockung mit Poly-DADMAC, Integrale Transmission, Mittelwert
100
200
Upm
80
4000
Upm
2000
Upm
60
40
20
0
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
8 min
Reis_VZ_1+2
Stroh_VZ_1+2
Hafer_VZ_1+2
Abb. 18: Flockung mit PVAm, Integrale Transmission, Mittelwert
6.2.2 Untersuchung des Entwässerungsverhaltens
Dynamic
Drainage
Analyzer
(DDA)
Stoffmischungen aus Zellstoff und unterschiedlichen Zusatzmengen an Faserersatzstoffen wurden mit verschiedenen Dosiermengen an kationischer Stärke und
cPAM versetzt. Zur Überprüfung der Entwässerungseigenschaften wurden
anschließend Versuche mit dem Dynamic Drainage Analyzer (DDA) unter
Verwendung verschiedener Retentionsmittel durchgeführt (Abb. 22 – Abb. 29).
Legende:
S0: keine kat. Stärke
S0,5: 0,5 % kat. Stärke
P0: kein cPAM
P0,01: 0,01 % cPAM
P0,02: 0,02 % cPAM
P0,03: 0,03 % cPAM
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
24(79)
Abb. 19: Entwässerungszeit Reishülsen
Abb. 20: Entwässerungszeit Weizenstroh
Abb. 21: Entwässerungszeit Haferspelzen
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
25(79)
Abb. 22: Entwässerungszeit im Vergleich
Insgesamt war der Einfluss der Faserersatzstoffmenge auf die Entwässerungszeit deutlich erkennbar. Die Entwässerungszeit nahm mit steigendem Anteil an
Faserersatzstoff ab. Durch den erhöhten Zusatz der Faserersatzstoffe wurde die
Entwässerung signifikant verbessert. Die Stoffmischungen mit Weizenstroh
konnten am besten entwässert werden. Die Mischungen mit Haferspelzen
erwiesen sich als am schwersten entwässerbar. Ein Zusatz von cPAM beschleunigte die Entwässerung erwartungsgemäß.
Abb. 23: Permeabilität Reishülsen
Abb. 24: Permeabilität Weizenstroh
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
26(79)
Abb. 25: Permeabilität Haferspelzen
Abb. 26: Permeabilität im Vergleich
Auch die Porosität wurde durch die Erhöhung der Zusatzmenge der Faserersatzstoffe deutlich erhöht. Die Einflüsse auf die Porosität waren analog zu denen
auf die Entwässerungszeiten. Die Steigerung der Porosität war erneut beim
Weizenstroh am deutlichsten erkennbar.
6.2.3 Untersuchung von Zetapotential und Ladung (PCD)
FaserZetapotential
Das Faser-Zetapotential der mit unterschiedlichen Mengen an Faserersatzstoffen und verschiedenen Dosiermengen an kationischer Stärke und cPAM versetzten Stoffmischungen wurde mittels der Faserpfropfenmethode (Gerät SZP 06 der
Firma BTG-Mütek) bestimmt.
Die Reishülsen zeigten das am stärksten negative ZP, die Haferspelzen das
geringste. Der Einfluss der kationischen Stärke und der cPAM-Dosierung war
deutlich erkennbar. Bei den Reishülsen war nur ein geringer Effekt des Zusatzes
von cPAM erkennbar. Eine Kombination aus Stärke und cPAM senkte den
Betrag der anionischen Faserladung jedoch signifikant (Abb. 27).
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
27(79)
Legende:
ohne Additiv
mit cPAM
mit cPAM + Stärke
Abb. 27: Faser-Zetapotential Reishülsen
Beim Weizenstroh konnte im Gegensatz dazu bereits ein deutlicher Effekt der
cPAM-Dosierung festgestellt werden. Eine zusätzliche Zugabe kationischer
Stärke machte sich in einer weiteren Reduzierung der anionischen Faserladung
bemerkbar (Abb. 28).
Abb. 28: Faser-Zetapotential Weizenstroh
Das Verhalten der Haferspelzen war dem der Reishülsen sehr ähnlich. Erst eine
Kombination aus kationischer Stärke und cPAM führte zu einer signifikanten
Reduzierung der negativen Faserladung (Abb. 29).
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
28(79)
Abb. 29: Faser-Zetapotential Haferspelzen
PCD
Der kationische Bedarf der DDA-Filtrate wurde mittels Polyelektrolyttitration/Partikelladungsdetektor (Gerät PCD 04 der Firma BTG-Mütek ermittelt (Abb.
30 – Abb. 32).
Legende:
ohne Additiv
mit cPAM
mit cPAM + Stärke
Abb. 30: Kationischer Bedarf Reishülsen
Abb. 31: Kationischer Bedarf Weizenstroh
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
29(79)
Abb. 32: Kationischer Bedarf Haferspelzen
Aus den Abbildungen ist erkennbar, dass eine höhere Menge an Faserersatzstoffen deutlich zur Erhöhung des kationischen Bedarfs beitrug. Dies war bei
allen drei Faserersatzstoffen zu beobachten. Der Einfluss war bei den Haferspelzen am deutlichsten. Sie verursachten den höchsten kationischen Bedarf.
Bei den Reishülsen war der kationische Bedarf am geringsten. Der kationische
Bedarf konnte durch eine Kombination aus kationischer Stärke und cPAM
signifikant vermindert werden.
Trübung
Die Trübung der DDA-Filtrate wurde nephelometrisch (Nephelometer der Firma
Hach) bestimmt (Abb. 33 – Abb. 35).
Legende:
ohne Additiv
mit cPAM
mit cPAM + Stärke
Abb. 33: Trübung Reishülsen
Abb. 34: Trübung Weizenstroh
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
30(79)
Abb. 35: Trübung Haferspelzen
Insgesamt wurde durch die Faserersatzstoffe nur eine sehr geringe Trübung
verursacht. Diese konnte durch kationische Stärke und cPAM nahezu beseitigt
werden.
6.3 Zusammenfassung
Insgesamt wurden nur relativ geringe Einflüsse der Faserersatzstoffe auf Trübung und kationischen Bedarf festgestellt. Aus den Untersuchungsergebnissen
wurden Art und Dosiermengen der für die RK-Blattbildungsversuche notwendigen Retentionsmittel abgeleitet. Das Flockungsverhalten von Guar und PEI
erwies sich am schlechtesten. Daher wurde in den weiteren Versuchen auf die
Verwendung dieser Retentionsmittel verzichtet.
Fazit
7
Mechanische Aufbereitung und chemische Vorbehandlung der Reststoffe
zur Herstellung von Faserersatzstoffen
7.1 Vorgehen
Vorbehandlung
Ziel der Untersuchungen war die mechanische Vorbehandlung und chemische
„Aktivierung“ der Reststoffe der Lebensmittelerzeugung durch Alkaliquellung
bzw. den Zusatz kationischer Additive. Dies sollte zu Faserersatzstoffen mit
erhöhter Bindefähigkeit führen. Ziel der Arbeiten war eine möglichst kostengünstige, effektive Bereitstellung der Faserersatzstoffe.
Die Rohstoffe wurden mechanisch mittels Schlagnasenmühle aufgemahlen und
anschließend mittels Siebung sortiert. Angestrebt wurden dabei zwei Teilchengrößenbereiche: eine feine Fraktion (< 50 µm) und eine grobe Fraktion (50 – 100
µm). Damit sollte sichergestellt werden, dass eine definierte Teilchengrößenfraktion für die anschließenden Versuche zur Verfügung steht. Die Arbeiten wurden
extern an ein entsprechend qualifiziertes Unternehmen vergeben.
Daneben wurden Versuche zur Erhöhung der Bindekräfte zwischen den Papierfasern und den Faserersatzstoffen und damit zur Erhöhung der für FSK relevanten Festigkeitseigenschaften (Zugfestigkeit, Biegesteifigkeit und Spaltfestigkeit)
durchgeführt. Dazu wurden eine alkalische Vorbehandlung der Faserersatzstoffe
mit verdünnten Alkalien sowie Kationisierungsversuche mit niedermolekularen,
hochgeladenen kationischen Additiven durchgeführt.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
31(79)
7.2 Ergebnisse
7.2.1 Mahlung im Technikumsmaßstab
Mahlbedingungen
Die ausgewählten Rohstoffe wurden durch einen externen Dienstleister aufgemahlen und sortiert. Danach wurde das Material bei einer Maschenweite von
200 µm abgesiebt und mittels Kugelmühle auf den gewünschten Teilchengrößenbereich nachgemahlen.
Durchsatz: 3 kg/h für die Schlagnasenmühle und 30 – 300 g/h bei der Siebkugelmühle. Bei der Mahlung erwiesen sich die Reishülsen als am besten, das
Weizenstroh als am schlechtesten mahlbar.
7.2.2 Versuche zur Vorquellung der Faserersatzstoffe mit Alkali
Vorversuche mit
Reishülsen
Zur Erhöhung der Bindekraft wurden Versuche zur Alkaliquellung und zur Kationisierung der Faserersatzstoff-Oberflächen durchgeführt. Zunächst wurden
Vorversuche mit den Reishülsen im Labormaßstab durchgeführt, um die Einflüsse einer Alkaliquellung auf Dicke/Volumen, Bruchkraft und Biegesteifigkeit zu
ermitteln. Bei den Versuchen wurde erwartungsgemäß eine deutliche Verschlechterung aller drei Eigenschaften durch den Zusatz der Reishülsen festgestellt (Abb. 15 – Abb. 17).
360,00
340,00
Dicke [µm]
320,00
300,00
280,00
260,00
240,00
220,00
200,00
Referenz
Reis_alkali
Reis_unbehandelt
Versuch
Mittelwert
Abb. 36: Reishülsen, Einfluss der Alkaliquellung auf die Dicke
7,0
6,5
Bruchkraft [kN / m]
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
Referenz
Reis_alkali
Reis_unbehandelt
Versuch
Mittelwert
Minimum
Maximum
Abb. 37: Reishülsen, Einfluss der Alkaliquellung auf die breitenbezogene
Bruchkraft
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
32(79)
3,60
Biegesteifigkeit S [N mm]
3,40
3,20
3,00
2,80
2,60
2,40
2,20
2,00
Referenz
Reis_alkali
Reis_unbehandelt
Versuch
Mittelwert
Minimum
Maximum
Abb. 38: Reishülsen, Einfluss der Alkaliquellung auf die Biegesteifigkeit
Die Versuche ergaben nur geringe Einflüsse einer Alkaliquellung auf Volumen
und Bruchkraft. Es konnte jedoch eine signifikante Verbesserung bei der Biegesteifigkeit beobachtet werden. Hier konnte die Abnahme durch den Zusatz des
Faserersatzstoffs vermindert werden.
Versuche zur
Alkaliquellung
Der Faserersatzstoff wurde in Wasser suspendiert und mit einer 0,01 Molaren
Natronlauge (12 %) auf einen pH-Wert von 11 eingestellt. Der Ansatz wurde 1
Stunde lang gerührt und anschließend über Nacht stehengelassen. Die Slurry
wurde ohne Neutralisierung eingesetzt.
7.2.3 Versuche zur Kationisierung
Vorgehensweise
Eine 0,01 %ige Lösung von Poly-DADMAC wurde durch Verdünnung mit dest.
Wasser aus einer 1%igen Stammlösung frisch hergestellt.
Jeweils 0,25, 0,5 und 1,0 g otro der gemahlenen Faserersatzstoffe wurden
eingewogen und jeweils mit 100 ml der Lösung von Poly-DADMAC versetzt und
1,5 h lang bei 200 U/min. gerührt. Die Ansätze wurden jeweils 10 min bei 4000
U/min zentrifugiert.
Jeweils 10 ml des klaren Zentrifugats wurden entnommen und der kationische
Bedarf mittels Polyelektrolyttitration bestimmt (0,001 N Poly-DADMAC bzw.
0,001 PES-Na als Titrationsmittel, PCD 04 als Endpunktdetektor) (Tab. 11).
Anschließend wurde die Dosiermenge für die Blattbildungsversuche abgeleitet:
Es wurden zwei Ansätze hergestellt. Jeweils 0,7 g Weizenstroh wurden zunächst mit je 100 ml einer 0,02 %igen Lösung von Poly-DADMAC versetzt.
Einem der Ansätze wurden zusätzlich 50 ml dest. Wasser zugegeben. Beide
Mischungen wurden 1,5 h lang gerührt und anschließend zentrifugiert. Bei der
Bestimmung des kationischen Bedarfs im Überstand wurde kein überschüssiges Poly-DADMAC gefunden.
Nach der Mischung mit Zellstoff wurde das jeweilige Faser-Zetapotential
bestimmt (Tab. 12).
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
33(79)
Tab. 11: Ladungsmessungen an Faserersatzstoffen
Probenbezeichnung
Ladung
+
–
PCD
(µeq/l)
Weizenstroh 0
x
620,8
Weizenstroh 0,25
x
317,5
Weizenstroh 0,5
x
88,1
Weizenstroh 1
x
-12,0
Haferspelzen 0
x
615,1
Haferspelzen 0,25
x
242,1
Haferspelzen 0,5
x
27,3
Haferspelzen 1
x
-21,6
Reishülsen 0
x
612,3
Reishülsen 0,25
x
352,3
Reishülsen 0,5
x
148,8
Reishülsen 1
x
-3,4
Abb. 18 zeigt die auf der Faseroberfläche adsorbierte kationische Ladung.
Abb. 39: Kationisierung der Faseroberfläche mit Poly-DADMAC:
adsorbierte kationische Ladung
Tab. 12: Faser-Zetapotential
Zetapotential (mV)
FE unbehandelt
Zetapotential (mV)
FE kationisiert
-30,7
-30,4
ZS + 20% Weizenstroh
-25
-29,4
ZS + 35% Weizenstroh
-25,2
-27
ZS + 50% Weizenstroh
-23,7
-21,9
Zellstoff
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
34(79)
In Tab. 47 bis Tab. 49 sind die Einflüsse auf die Ladungsparameter und die
wasserrelevanten Parameter zusammengestellt.
Tab. 13: Haferspelzen
ZS
050
µm
50 100
µm
100
160
µm
PTS-Forschungsbericht
Hafer
cPAM
PolyDAD
MAC
PCD
Trübung
Flächenbez.
Masse
Gesamtretention
Leitfähigkeit
(%)
(%)
(%)
(µeq/l)
(NTU)
(g/m²)
(%)
(µS/cm)
(mV)
SZP
0
0
0,00
0,05
0,00
0,00
-9,36
-6,16
16
3
198
196
97,19
96,25
549
542
-28,40
25,15
0
0,00
0,05
-104,08
110
200
98,13
554
10,85
50
50
50
50
50
0,00
0,10
0,20
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,10
0,20
-67,33
-29,78
-33,59
-22,24
-6,30
199
77
45
193
130
179
179
188
181
180
83,52
83,54
87,94
84,62
84,29
602
612
611
609
608
-15,15
-13,95
-11,70
-11,75
-6,95
50
50
50
50
50
50
50
35
35
35
35
20
20
20
0,00
0,10
0,20
0,30
0,00
0,00
0,20
0,00
0,10
0,20
0,20
0,00
0,15
0,15
0,00
0,00
0,00
0,00
0,10
0,20
0,10
0,00
0,00
0,00
0,05
0,00
0,00
0,05
-65,41
-43,18
-26,18
-17,79
-11,90
-3,08
-5,09
-44,25
-23,69
-18,73
-7,81
-21,98
-12,00
-5,05
145
73
38
22
142
131
39
101
42
18
17
50
20
11
183
195
195
202
185
187
195
188
197
198
201
203
203
203
85,48
91,03
90,95
94,58
86,70
87,24
91,35
88,95
93,11
93,59
95,00
97,84
97,79
97,59
632
630
641
635
645
643
640
602
594
598
596
578
578
577
-17,50
-16,75
-11,15
-2,90
-12,70
-2,60
10,35
-20,40
-18,30
-12,25
3,75
-21,40
-9,80
15,55
50
50
50
35
35
20
0,00
0,05
0,07
0,00
0,05
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
-16,96
-18,95
-13,78
-19,11
-12,24
-11,74
60
22
16
30
13
23
192
199
202
207
208
205
89,97
93,14
94,30
98,05
98,31
98,09
609
609
607
596
598
587
-15,70
-13,35
-11,85
-18,35
-14,15
-20,95
20
0,03
0,00
-7,25
12
211
100,84
585
-16,45
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
35(79)
Tab. 14: Reishülsen
ZS
0 -50
µm
50 100
µm
100 160
µm
PTS-Forschungsbericht
PCD
Trübung
Flächenbez.
Masse
Gesamtretention
Leitfähigkeit
SZP
Reis
cPAM
PVA
m
(%)
(%)
(%)
(µeq/l)
(NTU)
(g/m²)
(%)
(µS/cm)
(mV)
0
0
0
0
0
0,05
0
0,1
0
0,09355
0,04645
0,06155
16,00
0,40
2,75
198
195
196
97,19
95,69
96,25
549
575
542
-28,40
3,50
25,15
50
50
50
35
35
20
20
0
0
0
0
0
0
0
0
0,1
0,2
0,1
0,2
0,1
0,2
0,51205
0,31585
0,27505
0,20750
0,23990
0,16545
0,12140
251,00
188,50
210,00
93,50
137,50
44,50
52,50
176
189
200
193
203
191
202
79,44
85,18
90,41
89,08
93,87
91,10
95,99
597
584
592
583
587
572
584
-24,70
-23,15
-23,35
-22,60
-21,60
-20,00
-22,15
50
50
50
35
35
20
20
50
50
50
35
35
35
20
20
0
0
0
0
0
0
0
0,1
0,2
0,3
0
0,2
0,3
0
0,2
0
0,1
0,2
0,1
0,2
0,1
0,2
0
0
0
0
0
0
0
0
0,35790
0,22660
0,24910
0,16570
0,18175
0,07885
0,09865
0,20945
0,12135
0,08670
0,29460
0,08175
0,07870
0,17145
0,07180
181,00
105,50
149,50
65,50
93,50
40,50
41,50
76,50
39,00
19,00
129,00
25,00
11,00
78,00
11,00
168
193
193
198
203
198
202
189
196
194
202
199
202
203
203
75,98
87,24
87,16
91,50
93,76
94,44
96,29
85,32
88,62
87,67
93,14
92,05
93,18
96,69
96,42
599
591
593
581
589
567
583
596
595
598
600
599
599
591
592
-26,70
-23,40
-23,25
-21,80
-22,25
-19,65
-20,75
-22,70
-9,05
9,75
-26,90
-3,80
-14,00
-28,00
23,45
50
50
50
35
35
20
20
0
0,1
0,05
0
0,02
0
0,01
0
0
0
0
0
0
0
0,16390
0,04940
0,09130
0,10970
0,06470
0,06430
0,06840
49,50
6,50
11,50
28,00
14,50
20,00
16,00
213
214
219
220
216
215
215
98,52
98,75
101,15
104,14
102,32
103,09
104,17
609
604
598
593
593
583
587
-27,45
11,75
-16,15
-26,60
-22,80
-27,05
-23,40
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
36(79)
Tab. 15: Weizenstroh
Stroh
cPAM
PolyDAD
MAC
(%)
(%)
(%)
(µeq/l)
(NTU)
(g/m²)
(%)
(µS/cm)
(mV)
0
0
0
0,05
0
0
-9,36
-6,16
16
2,75
198
196
97,19
96,25
549
542
-28,40
25,15
0
0
0,05
-104,08
110
200
98,13
554
10,85
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
35
35
35
20
20
0
0,1
0,2
0
0
0,1
0,2
0,1
0,2
0,2
0
0,1
0,15
0
0,1
0
0
0
0,1
0,2
0,1
0,1
0,2
0,05
0,01
0
0
0
0
0
-47,21
-23,72
-16,05
-4,17
-7,26
-4,17
-1,67
-10,23
-7,15
-17,62
-42,99
-14,15
-13,62
-14,15
-8,42
251
46
22,5
105,5
110
69
53
80
49,5
59,5
70,5
22
15,5
40,5
11,5
180
190
198
192
192
190
194
186
201
199
188
193
201
203
203
84,30
88,78
92,63
89,70
89,58
88,77
90,49
87,14
93,96
93,04
88,89
91,31
95,23
96,99
97,44
642
643
649
652
652
649
648
646
647
646
624
625
624
612
609
-24,70
-10,20
2,70
-10,40
3,40
26,15
45,20
51,10
14,90
-7,65
-20,40
-9,35
-0,20
-23,80
-0,60
50
50
50
50
35
35
35
20
0
0,1
0,2
0,15
0
0,15
0,075
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-35,33
-20,57
-14,31
-16,58
-20,72
-9,71
-14,37
-14,15
54
30
13,5
26
36,8
10,5
20
40,5
186
199
197
190
200
201
199
203
86,99
92,88
91,88
88,89
94,58
95,05
94,17
96,99
635
641
644
647
631
627
630
612
-18,20
-9,95
11,90
-1,45
-19,25
7,30
-13,10
-23,80
20
0,1
0
-8,42
203
97,44
609
-0,60
ZS
050
µm
50 100
µm
PCD
Trübung
Flächenbez.
Masse
Gesamtretention
Leitfähigkeit
SZP
11,5
7.3 Zusammenfassung
Fazit
PTS-Forschungsbericht
Die Versuche zur Alkaliquellung der Faserersatzstoffe ergaben nur geringe
Einflüsse auf Volumen und Bruchkraft. Es konnte jedoch eine signifikante
Verbesserung bei der Biegesteifigkeit beobachtet werden, deren Abnahme
durch den Zusatz des Faserersatzstoffs vermindert werden konnte. Die mit
Poly-DADMAC kationisierten Faserersatzstoffe zeigten nur einen relativ geringen Einfluss auf das Faser-Zetapotential.
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
8
37(79)
Papierherstellung im Labormaßstab und Charakterisierung der Papiereigenschaften
8.1 Vorgehen
Zusammenfassung
Ziel der Blattbildungsversuche war der Aufbau einer möglichst voluminösen
Mikrostruktur des Papiergefüges bei gleichzeitiger Erhaltung der Festigkeitseigenschaften. Dazu wurden ein- und mehrlagige Laborblätter hergestellt.
Der Modellfaserstoffs wurde zunächst unter standardisierten Bedingungen
aufbereitet. Zur Stoffverdünnung wurde Leitungswasser eingesetzt. Die Faserersatzstoffe wurden unter definierten Bedingungen als Slurry aufbereitet und der
Faserstoffsuspension in verschiedenen Dosiermengen zugesetzt.
Zunächst wurden Rapid-Köthen-Blattbildungsversuche an einem Einlagensystem durchgeführt, um die Einflüsse des Zusatzes der Faserersatzstoffe und des
Retentionssystems auf die Papiereigenschaften zu ermitteln. Anschließend
wurden die Ergebnisse auf die Mittellage eines Mehrlagensystems übertragen.
Die mehrlagigen Papiere wurden anschließend satiniert. Variiert wurden dabei
Liniendruck, Prozesstemperatur und die Anzahl der Verdichtungsgänge.
Rezepturen
Einlagiges System:
Zielwert für die flächenbezogene Masse: 210g/m².
Materialien:
Langfaser-/Kurzfaserzellstoff (64,5 % / 79,5 %)
Kationische Stärke (0,5 %)
Stroh (Fraktion < 200 µm) (35 % / 20 %)
cPAM (0,04 %)
Mehrlagiges System:
Zielwert für die flächenbezogene Masse: 300g/m².
Die Rezeptur der Mittellage: identisch mit der Rezeptur der einlagigen Blätter
Faserersatzstoffe: Hafer und Stroh, Fraktion > 100 µm
Decklage: reiner Langfaser-/Kurzfaserzellstoff + 0,01 % cPAM, 60 g/m²
Rückseite: reiner Langfaser-/Kurzfaserzellstoff + 0,01 % cPAM, 30 g/m²
Die Decklagen und die Mittellage wurden auf dem RK-Blattbildner hergestellt,
feucht miteinander vergautscht und gemeinsam getrocknet.
8.2 Ergebnisse
8.2.1 Einsatz unmodifizierter Faserersatzstoffe
Retention der
Faserersatzstoffe
Zunächst wurden Versuche mit verschiedenen Dosiermengen an kationischer
Stärke und cPAM durchgeführt. Die Retention der Faserersatzstoffe wurde durch
den Zusatz kationischer Stärke und cPAM deutlich verbessert (Abb. 19 – Abb.
21).
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
38(79)
Abb. 40: Retention der Reishülsen
Abb. 41: Retention des Weizenstrohs
Abb. 42: Retention der Haferspelzen
Beim Weizenstroh lag die Retention etwas niedriger als bei den beiden anderen
Faserersatzstoffen. Die angestrebte Retention (rote gestrichelte Linien) konnte
jeweils mit einer Kombination aus 0,5 % kationischer Stärke und 0,03 % – 0,075
% cPAM erreicht werden.
Herstellung der
Laborblätter
Das Einlagensystem wurde auf Basis von Zellstoff und einer Zugabemenge von
20, 35 und 50 % Faserersatzstoff hergestellt. Die jeweilige Faserersatzstoff-Slurry wurde der Faserstoffsuspension zudosiert und bei 700 U/min verrührt. Für die
Herstellung der mehrlagigen Blätter wurden reiner Zellstoff für die Decklagen
und Mischungen aus Zellstoff und Faserersatzstoff für die Mittellage verwendet.
In Tab. 13 sind die Einsatzmengen des Retentionsmittels bei der Herstellung der
einlagigen Blätter und der Mittellagen zusammengestellt.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
39(79)
Tab. 16: Retentionsmitteldosierung
Komponente
Zugabemenge
Faserersatzstoff (%)
Zugabemenge cPAM (%)
20
0,03
35
0,05
50
0,07
20
0,03
35
0,05
50
0,07
20
0,03
35
0,04
50
––––
Haferspelzen
(Fraktion 100 – 150 µm)
Weizenstroh
(Fraktion < 50 µm)
Reishülsen
(Fraktion 100 – 150 µm)
Charakterisierung der
einlagigen
Blätter:
In Tab. 14 und Abb. 22 – Abb. 25 sind die Ergebnisse der Charakterisierung der
unter Zusatz von Weizenstroh hergestellten einlagigen Papiere dargestellt.
Tab. 17: Papiercharakterisierung, Weizenstroh
Weizenstroh
Dicke
VK
(µm)
Rohdichte VK
(g/cm³)
Zellstoffreferenz
411
0,58
Flächenbez.
Masse
2
(g/m )
200
2,06
Breitenbezogene
Bruchkraft
(N/m)
3928
Weizenstroh 20 %
442
0,54
239
1,85
5223
2227
Weizenstroh 35 %
395
0,51
201
1,96
7502
3807
Weizenstroh 50 %
411
0,48
198
2,07
8988
4620
Blattbezeichnung
Biegesteifigkeit
(Nmm)
Streifenstauchwiderstand (kN/m)
Berstfestigkeit (kPa)
5,968
6,545
10,963
6,117
5,0
2,5
3,1
4,3
625,0
396,0
288,0
––––
Blattbezeichnung
Zellstoffreferenz
Weizenstroh 20 %
Weizenstroh 35 %
Weizenstroh 50 %
Spez.
Volumen
3
(cm /g)
Reißlänge
(m)
2002
Abb. 43: Bruchkraft, Weizenstroh
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
40(79)
Abb. 44: Biegesteifigkeit, Weizenstroh
Abb. 45: Streifenstauchwiderstand, Weizenstroh
Abb. 46: Berstfestigkeit (Mullen), Weizenstroh
Es zeigte sich, dass die Bruchkraft durch den Zusatz von Weizenstroh signifikant
erhöht wurde. Die Biegesteifigkeit nahm bei Zusatzmengen bis 35 % zu, sank
bei einer Zusatzmenge von 50 % wieder ab. Die Berstfestigkeit nahm bei Zusatz
von Weizenstroh ab. Signifikante Einflüsse auf das spezifische Volumen konnten
nicht festgestellt werden.
Charakterisierung der
einlagigen
Blätter:
Die Tab. 15 und Tab. 16 sowie die Abb. 26 – Abb. 29 zeigen die Ergebnisse der
Charakterisierung der mit Haferspelzen hergestellten einlagigen Papiere.
Haferspelzen
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
41(79)
Tab. 18: Papiercharakterisierung, Haferspelzen
Dicke
VK (µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
Flächenbez. Masse
2
(g/m )
Spezifisches
Volumen
3
(cm /g)
Zellstoffreferenz
309
0,64
200,00
1,55
Haferspelzen 20 %
391
0,52
202,8
1,93
Haferspelzen 35 %
417
0,50
206,68
2,02
Haferspelzen 50 %
434
0,47
201,8
2,15
Blattbezeichnung
Tab. 19: Papiercharakterisierung, Haferspelzen
Flächenbez.
Masse
(g/m²)
Breitenbezogene
Bruchkraft
(N/m)
Reißlänge
(m)
Biegesteifigkeit
(Nmm)
Berstfestigkeit
(kPa)
Streifenstauchwiderstand
(kN/m)
Zellstoffreferenz
200,0
8988
4581
6,117
400,0
4,2
Haferspelzen 20 %
211,0
8122
3923
8,025
282,0
3,0
Haferspelzen 35 %
181,1
5658
3184
3,283
454,0
1,9
Haferspelzen 50 %
202,1
6586
3322
4,144
––––
1,9
Blattbezeichnung
Die Bruchkraft wurde durch den Zusatz von Haferspelzen vermindert. Die
Biegesteifigkeit nahm mit einer Zusatzmenge von 20 % Haferspelzen zunächst
zu und wurde mit höheren Zusatzmengen wieder abgesenkt. Das spezifische
Volumen nahm zu.
Abb. 47: Bruchkraft, Haferspelzen 100 – 160 µm, einlagig
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
42(79)
Abb. 48: Biegesteifigkeit, Haferspelzen 100 – 160 µm, einlagig
Abb. 49: Streifenstauchwiderstand, Haferspelzen 100 – 160 µm, einlagig
Abb. 50: Berstfestigkeit, Haferspelzen 100 – 160 µm, einlagig
Charakterisierung der
einlagigen
Blätter:
Reishülsen
PTS-Forschungsbericht
Die Ergebnisse der Charakterisierung der mit Reishülsen hergestellten einlagigen Papiere sind in Tab.17 bisTab.19 dargestellt. Bei den Versuchen wurden
zwei verschiedene Teilchengrößenfraktionen verwendet. Das spezifische
Volumen wurde durch den Zusatz beider Fraktionen bei Zusatzmengen bis zu
35 % gesteigert. Eine weitere Erhöhung der Zusatzmenge führte nicht zu einer
weiteren Steigerung des spezifischen Volumens. Die Biegesteifigkeit nahm
etwas zu und die Bruchkraft wurde deutlich reduziert.
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
43(79)
Tab.20: Papiercharakterisierung, Reishülsen (Fraktion < 50 µm)
Dicke VK
(µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
Flächenbez.
2
Masse (g/m )
spezifisches
Volumen
3
(cm /g)
Zellstoffreferenz
309
0,64
200,0
1,55
Reishülsen 20 %
437
0,46
207,5
2,10
Reishülsen 35 %
498
0,41
206,3
2,41
Blattbezeichnung
Tab.21: Papiercharakterisierung, Reishülsen (Fraktion 100 – 150 µm)
Blattbezeichnung
Dicke VK (µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
Flächenbez.
2
Masse(g/m )
Spez.
Volumen
3
(cm /g)
434
516
525
0,47
0,40
0,40
202,8
207,2
212,0
2,14
2,49
2,48
Reishülsen 20 %
Reishülsen 35 %
Reishülsen 50 %
Tab.22: Papiercharakterisierung, Reishülsen (Fraktion 100 – 150 µm)
Blattbezeichnung
Charakterisierung der
mehrlagigen
Blätter:
Biegesteifigkeit
(Nmm)
Breitenbezogene
Reißlänge (m)
Bruchkraft (N/m)
Zellstoffreferenz
6,117
8988
4581
Reishülsen 20 %
6,436
8698
4272
Reishülsen 35 %
6,416
6899
3409
Tab. 20 – Tab. 22 und die Abb. 30 – Abb. 35 zeigen die Ergebnisse der Charakterisierung der mit Haferspelzen hergestellten dreilagigen Papiermuster. Das
spezifische Volumen und die Biegesteifigkeit wurden beim Zusatz der Haferspelzen deutlich gesteigert. Dagegen nahm die Bruchkraft bei einer Zusatzmenge von 20 % zunächst zu, sank jedoch wieder bei einer Erhöhung der Zusatzmenge auf 35 %. Die Spaltfestigkeit erwies sich bei 20 % Zusatz als sehr gut
und sank bei einer Erhöhung der Dosiermenge auf 35 % ab.
Haferspelzen
Tab. 23: Papiercharakterisierung, Haferspelzen, dreilagige Blätter
Dicke VK
(µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
Zellstoffreferenz
432
0,68
289,00
1,50
Haferspelzen 20 %
482
0,60
286,90
1,68
Haferspelzen 35 %
565
0,54
304,62
1,85
Blattbezeichnung
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
Flächenbez. Spez. Volumen
2
3
Masse (g/m )
(cm /g)
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
44(79)
Abb. 51: Dicke, Haferspelzen 100 – 160 µm, dreilagig
Tab. 24: Papiercharakterisierung, Haferspelzen, dreilagige Blätter
Breitenbezogene
Bruchkraft
(N/m)
Reißlänge
(m)
Biegesteifigkeit
(Nmm)
Berstfestigkeit
(kPa)
Streifenstauchwiderstand
(kN/m)
17542
6187
22,761
––––
8,2
Haferspelzen 20 %
19378
6825
25,518
884,0
6,0
Haferspelzen 35 %
16490
5198
30,401
708,0
5,1
Blattbezeichnung
Zellstoffreferenz
Abb. 52: Bruchkraft, Haferspelzen 100 – 160 µm, dreilagig
Abb. 53: Biegesteifigkeit, Haferspelzen 100 – 160 µm, dreilagig
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
45(79)
Abb. 54: Streifenstauchwiderstand, Haferspelzen 100 – 160 µm, dreilagig
Tab. 25: Spaltwiderstand, zweilagige Blätter
Blattbezeichnung
Spaltwiderstand (J/m²)
Haferspelzen 20 % zweilagig
Haferspelzen 35 % zweilagig
241,0
187,0
Abb. 55: Spaltwiderstand, Haferspelzen 100 – 160 µm
Abb. 56: Berstfestigkeit, Haferspelzen 100 – 160 µm, dreilagig
Charakterisierung der
mehrlagigen
Blätter:
Reishülsen
PTS-Forschungsbericht
Die Ergebnisse der Charakterisierung der mit Reishülsen hergestellten dreilagigen Systeme sind in Tab.23 – Tab.26 und Abb. 36 – Abb. 38 zusammengefasst. Auch hier wurden eine Zunahme von Biegesteifigkeit und spezifischem
Volumen bei Abnahme der Bruchkraft beobachtet. Die Spaltfestigkeit war bis zu
einer Dosiermenge von 20 % ausreichend und nahm bei höheren Zugabemengen ab.
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
46(79)
Tab.26: Papiercharakterisierung, Reishülsen (Fraktion < 50 µm)
Dicke VK
(µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
Flächenbez.
2
Masse (g/m )
spezifisches
Volumen
3
(cm /g)
Zellstoffreferenz
432
0,68
289,0
1,50
Reishülsen 20 %
560
0,53
297,9
1,88
Reishülsen 35 %
601
0,50
298,6
2,01
Blattbezeichnung
Tab.27: Papiercharakterisierung, Reishülsen (Fraktion 100 – 150 µm)
Blattbezeichnung
Reishülsen 20 %
Reishülsen 35 %
Dicke VK
(µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
Flächenbez.
2
Masse(g/m )
Spez.
Volumen
3
(cm /g)
555
608
0,54
0,50
302,1
303,4
1,84
2,00
Abb. 57: Dicke VK, Reishülsen
Tab.28: Papiercharakterisierung, Reishülsen (Fraktion 100 – 150 µm)
Biegesteifigkeit
(Nmm)
Breitenbezogene
Bruchkraft (N/m)
Reißlänge
(m)
Zellstoffreferenz
22,761
17542
6187
Reishülsen 20 %
28,553
17252
5903
798,0
Reishülsen 35 %
37,578
14674
5010
637,0
Blattbezeichnung
Berstfestigkeit
(kPa)
Abb. 58: Bruchkraft, Reishülsen
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
47(79)
Bei Einsatz von 20 % Reishülsen anstelle von Zellstoff wurde eine signifikante
Steigerung von Dicke/Papiervolumen und Biegesteifigkeit ohne Festigkeitseinbußen gefunden.
Abb. 59: Biegesteifigkeit, Reishülsen
Tab.29: Spaltwiderstand, Reishülsen, zweilagige Blätter
Blattbezeichnung
Reishülsen 20 %
Reishülsen 35 %
Spaltwiderstand
(J/m²)
189,0
123,0
8.2.2 Versuche mit alkaligequollenen Faserersatzstoffen
Mehrlagige
Systeme:
Papiereigenschaften
Zur Herstellung dreilagiger Systeme wurden Decklagen aus 100 % Zellstoff
mit Mittellagen aus Zellstoff mit 20 % und 35 % Faserersatzstoff kombiniert.
Die Ergebnisse der Papiercharakterisierung im Vergleich zu unmodifizierten
Faserersatzstoffen sind in Tab. 27 und Tab. 28 zusammengefasst.
Tab. 30: Weizenstroh, dreilagige Muster
Gesamtretention
(%)
Spez.
Volumen
(cm³/g)
Bruchkraft
(N/m)
Bruchdehnung
(%)
20 % Weizenstroh
97,71
1,70
15236
5,0
35 % Weizenstroh
99,54
1,79
13206
4,8
20 % gequ. Weizenstroh
94,36
1,64
35 % gequ. Weizenstroh
94,05
1,86
12112
3,8
Blattbezeichnung
Biegesteifigkeit (Nmm)
E-Modul
(N/mm²)
Streifenstauchwid.
(kN/m)
Spaltfestigkeit (J/m²)
20 % Weizenstroh
25,794
2672
8,1
462
35 % Weizenstroh
31,911
2188
6,7
293
20 % gequ. Weizenstroh
24,240
35 % gequ. Weizenstroh
29,647
Blattbezeichnung
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
8,4
2060
7,1
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
48(79)
Die Gesamtretention der alkaligequollenen Faserersatzstoffe war deutlich
schlechter als bei den unmodifizierten Stoffen. Die Biegesteifigkeit und die
Bruchkraft nahmen beim Einsatz von alkaligequollenem Stroh im Vergleich
zum unmodifizierten Stroh ab. Die Einflüsse auf das spezifische Volumen
waren nur gering.
Beim Einsatz von vorgequollenen Haferspelzen stieg die Bruchkraft im
Vergleich zu den unmodifizierten Spelzen signifikant an. Die Einflüsse auf die
Biegesteifigkeit waren nur gering.
Tab. 31: Haferspelzen, dreilagige Muster
Gesamtretention
(%)
Spez.
Volumen
(cm³/g)
Bruchkraft
(N/m)
Bruchdehnung
(%)
20 % Haferspelzen
100,18
1,62
13364
2,2
35 % Haferspelzen
97,58
1,59
13152
4,1
20 % gequ. Haferspelzen
96,04
1,56
16758
2,3
35 % gequ. Haferspelzen
94,29
1,68
16684
3,8
Biegesteifigkeit
(Nmm)
E-Modul
(N/mm²)
Spaltfestigkeit (J/m²)
20 % Haferspelzen
24,061
2929
399
35 % Haferspelzen
21,026
2359
400
20 % gequ. Haferspelzen
19,798
3976
35 % gequ. Haferspelzen
21,282
3151
Blattbezeichnung
Blattbezeichnung
8.2.3 Versuche zur Einwirkung kationischer Additive
Vorgehensweise
Zielsetzung war die Herstellung von Mittellagen zur Charakterisierung der
Papiereigenschaften. Der Zielwert für die flächenbezogene Masse der Mittellage war 210g/m². Der Zielwert für die dreilagigen Blätter war 300g/m².
Eingesetzte Materialien:
Zellstoffgemisch Langfaserzellstoff/Kurzfaserzellstoff
Füllstoff: Stroh gemahlen auf Fraktion < 200µm (Schlagnasenmühle)
kationische Maisstärke
Retentionsmittel: cPAM
Vorbereitung:
Der Zellstoff wurde nach dem Standardverfahren aufgeschlagen (SD 0,5 %).
12,5 g kationische Stärke wurden mit ca. 400ml heißem Leitungswasser
angesetzt und 50 min bei 95 °C gequollen (Magnetrührer). Anschließend
wurde über ein SR-Sieb in eine Vorlage mit kaltem Wasser (ca. 400 ml)
abfiltriert, nachgespült und unter Rühren auf Raumtemperatur abgekühlt.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
49(79)
cPAM: 1%-ige Lsg. in destilliertem Wasser. Verdünnung für die Blattbildung:
0,1 % bzw. 0,05 % (pH ≤ 5).
Tab. 32: Rezepturen
Komponente
Zugabemenge (%)
Zellstoff
80
65
50
Weizenstroh
20
35
50
kat. Stärke
0
0
0
0,03
0,04
0,05
Zellstoff
80
65
50
kationisiertes Weizenstroh
20
35
50
kat. Stärke
0
0
0
0,02
0,03
0,04
cPAM
cPAM
Tab. 33: Papiereigenschaften
Gesamtretention
(%)
Dicke VK
(µm)
Rohdichte
VK
3
(g/cm )
Weizenstroh 20 %
98,36
382
0,55
209,83
1,82
Weizenstroh 35 %
98,14
433
0,48
209,25
2,07
Weizenstroh 50 %
97,09
471
0,44
207,36
2,27
Weizenstroh kat. 20 %
99,97
384
0,56
213,77
1,80
Weizenstroh kat. 35 %
98,08
437
0,49
213,26
2,05
Weizenstroh kat. 50 %
97,98
473
0,44
207,88
2,28
Bruchdehnung
(%)
E-Modul
(N/mm²)
Streifenstauchwiderstand
(kN/m)
Blattbezeichnung
Blattbezeichnung
BreitenBiegebezogene
Bruchsteifigkeit
kraft
(Nmm)
(kN/m)
FlächenSpez. Vol.
bez. Masse
(cm³/g)
(g/m²)
Weizenstroh 20 %
7,027
8,91
4,09
2374
5,0
Weizenstroh 35 %
6,495
6,09
3,53
1509
3,9
Weizenstroh 50 %
––––
4,29
3,39
1070
2,7
Weizenstroh kat. 20 %
7,920
8,29
3,32
2159
5,1
Weizenstroh kat. 35 %
7,126
6,34
2,99
1622
4,0
Weizenstroh kat. 50 %
6,125
4,29
2,94
1078
3,0
Bei kationisiertem Weizenstroh wurde eine signifikante Erhöhung der Biegesteifigkeit im Vergleich zum unmodifizierten Faserersatzstoff festgestellt. Es konnten
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
50(79)
jedoch keine signifikanten Einflüsse der Kationisierung auf das spezifische
Volumen festgestellt werden.
8.3 Zusammenfassung
Mit dem Zusatz von Faserersatzstoffen konnten das spezifische Volumen und
die Biegesteifigkeit von ein- und mehrlagigen Papieren signifikant erhöht werden. Eine Alkaliquellung bzw. Kationisierung der Faserersatzstoffe zeigten nur
geringe Abweichungen gegenüber den unmodifizierten Faserersatzstoffen.
Fazit
9
Papiertechnische Charakterisierung
9.1 Vorgehen
Untersuchte
Parameter
Im Rahmen der Untersuchungen wurden die Laborblätter hinsichtlich ihrer
papiertechnisch relevanten Eigenschaften beurteilt, um die Einflüsse von Art und
Menge der eingesetzten Faserersatzstoffe zu ermitteln. Die Papiere wurden
zunächst bezüglich ihrer Standardeigenschaften geprüft. Die Ergebnisse dienten
als Zielgrößen für die Optimierungsarbeiten im Labormaßstab.
Folgende Parameter wurden an den RK-Laborblättern bestimmt: Biegesteifigkeit,
breitenbezogene Bruchkraft, Berstfestigkeit, Verdichtung und Streifenstauchwiderstand. Außerdem wurden REM-Aufnahmen an den Oberflächen und
Querschnitten der Papiere angefertigt.
9.2 Ergebnisse
Verdichtung:
Einfluss der
Satinagebedingu
ngen auf die
Rohdichte
Die mit Reishülsen und Haferspelzen hergestellten Papiere wurden bei verschiedenen Satinagebedingungen (67 und 91 kN/m/40 – 80 °C/1 – 3 Durchläufe)
kalandriert, um die Einflüsse auf das Kartonvolumen und auf die Stabilität der
gebildeten Mikrostruktur zu untersuchen (Abb. 81 – Abb. 84).
Legende:
1: vor Kalander (VK)
2: ein Kalanderdurchlauf
3: zwei Kalanderdurchläufe
4: drei Kalanderdurchläufe
Abb. 60: Einfluss der Satinage auf die Rohdichte, Reishülsen, 67 kN/m / 40 °C
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
51(79)
Abb. 61: Einfluss der Satinage auf die Rohdichte, Reishülsen, 91 kN/m /80 °C
Abb. 62: Einfluss der Satinage auf die Rohdichte, Haferspelzen, 67 kN/m /40 °C
Abb. 63: Einfluss der Satinage auf die Rohdichte, Haferspelzen, 91 kN/m / 80 °C
Die Untersuchungen zeigten, dass die Rohdichte beim Einsatz von Reishülsen
beim ein- und dreilagigen Karton proportional zur Einsatzmenge sinkt. Dies
entspricht einer signifikanten Zunahme des Kartonvolumens. Bei den Haferspelzen wurde beim einlagigen System bei Zusatz von 35 % Faserersatzstoff
zunächst eine Steigerung, bei 50 % Zusatz wieder ein geringfügiger Rückgang
auf den Ausgangswert der Rohdichte gefunden. Beim dreilagigen System
entspricht die Entwicklung der Rohdichte der bei den Reishülsen beobachteten.
Bei den Versuchen zeigte sich außerdem, dass die Rohdichte beim ersten
Satinagevorgang stark gesteigert wird und das Maximum jeweils bereits beim
zweiten Durchlauf durch den Kalander erreicht wird. Dies ist weitgehend unabhängig von den Satinagebedingungen (Druck und Temperatur) und wurde bei
allen drei Faserersatzstoffen beobachtet.
Insgesamt zeigten die Anzahl der Durchgänge und die Satinagetemperatur nur
einen geringen Einfluss auf die Verdichtung.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
REM-Aufnahmen
der Papierquerschnitte
52(79)
Von den faserersatzstoffhaltigen Papieren wurden Querschnitte angefertigt und
rasterelektronenmikroskopisch untersucht. In den REM-Aufnahmen ist die
Auflockerung der Papierstruktur durch den Zusatz der Faserersatzstoffe deutlich
erkennbar (Abb. 64 – Abb. 69).
Abb. 64: REM-Aufnahme, Haferspelzen 20 %, 100fache Vergrößerung
Abb. 65: REM-Aufnahme, Haferspelzen 35 %, 100fache Vergrößerung
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
53(79)
Abb. 66: REM-Aufnahme, Haferspelzen 50 %, 100fache Vergrößerung
Abb. 67: REM-Aufnahme, Reishülsen 20 %, 100fache Vergrößerung
Abb. 68: REM-Aufnahme, Reishülsen 35 %, 100fache Vergrößerung
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
54(79)
Abb. 69: REM-Aufnahme, Reishülsen 50 %, 100fache Vergrößerung
9.3 Zusammenfassung
Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigten eine deutliche Auflockerung der Papierstruktur beim Einsatz von Faserersatzstoffen. Damit wurden
die bisherigen Ergebnisse zur Steigerung des spezifischen Volumens bestätigt.
Fazit
10
Charakterisierung der Verarbeitungseigenschaften
10.1 Rill-/Faltbarkeit
Rill-/Faltversuche
Im Rahmen der Arbeiten wurden die Materialien hinsichtlich der für die Verarbeitung von Faltschachtelkarton relevanten Eigenschaften geprüft. Dazu wurden mit
den dreilagigen Laborblättern Rill-/Faltversuche durchgeführt. Die Muster erwiesen sich bis zu einer Zusatzmenge von 35 % Faserersatzstoff als gut rill- und
faltbar. Im Vergleich zur Zellstoffreferenz wurden dabei keine signifikanten
Unterschiede festgestellt (Abb. 70 – Abb. 74).
Abb. 70: Zellstoffreferenz
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
55(79)
Abb. 71: Haferspelzen 20 %
Abb. 72: Haferspelzen 35 %
Abb. 73: Reishülsen 20 %
Abb. 74: Reishülsen 35 %
REM-Aufnahmen
Die REM-Aufnahmen zeigen, dass bei den faserersatzstoffhaltigen Papieren nur
eine geringe Delaminierung eintrat. Insgesamt erwiesen sich die Materialien als
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
56(79)
gut rillbar (Abb. 75 – Abb. 79). Es zeigte sich auch, dass das Papiergefüge
durch den Zusatz von Faserersatzstoff im Vergleich zur reinen Zellstoffreferenz
signifikant aufgelockert und das Papiervolumen dadurch erhöht wird (Abb. 77 –
Abb. 79).
Abb. 75: REM-Aufnahme (SE-Modus), reiner Zellstoff, Papierquerschnitt,
Vergrößerung 50fach
Abb. 76: REM-Aufnahme (RE-Modus), reiner Zellstoff, Papierquerschnitt,
Vergrößerung 50fach
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
57(79)
Abb. 77: REM-Aufnahme (RE-Modus), 20 % Reishülsen, Papierquerschnitt,
Vergrößerung 50fach
Abb. 78: REM-Aufnahme (RE-Modus), 35 % Reishülsen, Papierquerschnitt,
Vergrößerung 50fach
Abb. 79: REM-Aufnahme (RE-Modus), 20 % Haferspelzen, Papierquerschnitt,
Vergrößerung 50fach
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
Berstfestigkeit
(Mullen)
58(79)
Die Berstfestigkeit wurde durch den Zusatz der Faserersatzstoffe deutlich
reduziert (siehe Tab. 31).
Tab. 34: Berstfestigkeit, einlagige und mehrlagige Laborblätter
Berstfestigkeit
(kPa)
625
396
288
454
400
282
476
220
330
884
708
798
637
Blattbezeichnung
einlagig
einlagig
einlagig
dreilagig
dreilagig
Spaltfestigkeit
(Scott Bond)
Weizenstroh 20 %
Weizenstroh 35 %
Weizenstroh 50 %
Haferspelzen 20 %
Haferspelzen 35 %
Haferspelzen 50 %
Reishülsen 20 %
Reishülsen 35 %
Reishülsen 50 %
Haferspelzen 20 %
Haferspelzen 35 %
Reishülsen 20 %
Reishülsen 35 %
Tab. 32 und Tab. 33 zeigen die Spaltfestigkeit für einlagige und zweilagige
Laborblätter.
Tab. 35: Spaltfestigkeit (Scott Bond), einlagige Blätter
2
Spaltfestigkeit (J/m )
20% Weizenstroh
462
35% Weizenstroh
293
20% Haferspelzen
399
35% Haferspelzen
400
Ein Zusatz von 35 % Reishülsen senkt die Spaltfestigkeit auf Werte unterhalb
der üblichen Anforderungen an FSK (> 150 J/m2). Bei den übrigen Dosiermengen wurde die Spezifikation dagegen erreicht.
Tab. 36: Spaltfestigkeit (Scott Bond), zweilagige Blätter
Haferspelzen 20 %
Scott Bond
2
(J/m )
241
Haferspelzen 35 %
187
Reishülsen 20 %
189
Reishülsen 35 %
123
Blattbezeichnung
REM-Aufnahmen:
Querschnitte
nach Scott BondTest
Ziel der REM-Untersuchungen war die Ermittlung der schwächsten Stelle des
Papiergefüges (Abb. 39 – Abb. 42). Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass
die Spaltung nicht in der Mittellage erfolgt, sondern dass die einzelnen Lagen
voneinander getrennt werden. Dies deutet auf eine nicht optimale Verbindung
der Einzellagen miteinander hin.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
59(79)
Abb. 80: REM-Aufnahme, 20 % Haferspelzen, Papierquerschnitt, Vergrößerung
55fach
Abb. 81: REM-Aufnahme, 35 % Haferspelzen, Papierquerschnitt, Vergrößerung
75fach
Abb. 82: REM-Aufnahme, 20 % Weizenstroh, Papierquerschnitt, Vergrößerung
75fach
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
60(79)
Abb. 83: REM-Aufnahme, 35 % Weizenstroh, Papierquerschnitt, Vergrößerung
75fach
10.2 Zusammenfassung
Die Rill- und Faltbarkeit der mit Faserersatzstoffen hergestellten dreilagigen
Papiere erwies sich als gut. Die Spaltfestigkeit wurde bei allen Faserersatzstoffen bis zu einer Zusatzmenge von 20 % nicht beeinträchtigt. Bei einem Zusatz
von 35 % Reishülsen sank die Gefügefestigkeit unter die Spezifikationen von
FSK. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass Zusatzmengen von 20 %
(eingeschränkt bis zu 35 %) Faserersatzstoff bei der Papierherstellung eingesetzt werden können, ohne die Einhaltung der für FSK üblichen Spezifikationen
zu gefährden.
Fazit
11
Optimierung der Papierherstellung im Labormaßstab
11.1 Vorgehen
Stoffmischung
Im Rahmen der Untersuchungen wurden Optimierungsarbeiten im Labormaßstab im Sinne einer Optimierungsschleife durchgeführt, um die für Faltschachtelkarton festgelegten Spezifikationen erreichen zu können. Dabei wurde ein
praxisnahes System auf Altpapierbasis verwendet.
Bei den Optimierungsarbeiten wurden dreilagige Systeme hergestellt. Zur
Herstellung der Decklage wurde reiner Zellstoff (LF/KF 60:40) eingesetzt. Bei
der Mittellage wurde als Basis-Faserstoff ein Standard-Altpapier (Wellenstoff)
verwendet. Als Faserersatzstoffe wurden jeweils 20 % Haferspelzen und Weizenstroh (Fraktionen < 200 µm) zugegeben. Als Retentionsmittel diente cPAM
(Tab. 34).
Der Zielwert für die flächenbezogene Masse der Zielgewicht der Mittellage
betrug jeweils 210g/m², das der Decklagen 45 g/m2.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
61(79)
Tab. 37: Rezepturen
Zugabemenge
Faserersatzstoff (%)
Dosierung
cPAM (%)
Kat.
Maisstärke
(%)
Decklage Rückseite
0
0,01
0
Referenz Wellenstoff
0
0,015
0,5
Weizenstroh
20
0,04
0,5
Haferspelzen
20
0.04
0,5
Blattbezeichnung
11.2 Ergebnisse
Papiereigenschaf
ten
Die Ergebnisse der papiertechnischen Charakterisierung sind in Tab. 38 und
Tab. 39 sowie den Abb. 84 – Abb. 90 wiedergegeben.
Tab. 38: Papiertechnische Charakterisierung
Dicke
VK
(µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
Flächenbez. Masse
2
(g/m )
Spez.
Volumen
3
(cm /g)
2
611
0,59
363
1,68
2
517
0,60
312
1,66
Haferspelzen 20 % 250 g/m
2
435
0,58
254
1,71
2
646
0,55
357
1,81
2
543
0,56
301
1,80
Blattbezeichnung
Haferspelzen 20 % 350 g/m
Haferspelzen 20 % 300 g/m
Weizenstroh 20 % 350 g/m
Weizenstroh 20 % 300 g/m
2
Weizenstroh 20 % 250 g/m
447
0,57
253
1,77
Referenz Wellenstoff 100 % 350 g/m
2
575
0,62
359
1,60
Referenz Wellenstoff 100 % 300 g/m
2
487
0,63
306
1,59
Referenz Wellenstoff 100 % 250 g/m
2
404
0,62
251
1,61
Breitenbezogene
ReißBruchkraft (N/m) länge (m)
Blattbezeichnung
Bruchdehnung (%)
2
Haferspelzen 20 % 350 g/m
2
10078
3293
3,4
2
Haferspelzen 20 % 300 g/m
Haferspelzen 20 % 250 g/m
8592
3444
3,5
2
10682
3046
3,3
2
9530
3223
3,3
Weizenstroh 20 % 350 g/m
Weizenstroh 20 % 300 g/m
2
Weizenstroh 20 % 250 g/m
PTS-Forschungsbericht
8172
3288
3,2
Referenz Wellenstoff 100 % 350 g/m
2
12526
3559
2,9
Referenz Wellenstoff 100 % 300 g/m
2
11720
3902
3,3
Referenz Wellenstoff 100 % 250 g/m
2
10270
4171
3,7
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
62(79)
E-Modul
(N/mm²)
Blattbezeichnung
2
Haferspelzen 20 % 350 g/m
Biegesteifigkeit
(Nmm)
Spaltfestig2
keit (J/m )
39,7
184
2
1906
28,4
176
2
Haferspelzen 20 % 250 g/m
1895
14,7
174
2
1709
52,3
172
2
1748
28,6
166
2
1888
16,0
148
Haferspelzen 20 % 300 g/m
Weizenstroh 20 % 350 g/m
Weizenstroh 20 % 300 g/m
Weizenstroh 20 % 250 g/m
Referenz Wellenstoff 100 % 350 g/m
2
2266
42,1
240
Referenz Wellenstoff 100 % 300 g/m
2
2277
24,9
219
Referenz Wellenstoff 100 % 250 g/m
2
2504
13,5
181
Abb. 84: Dicke
Abb. 85: Spezifisches Volumen
Abb. 86: Biegesteifigkeit
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
63(79)
Abb. 87: Breitenbezogene Bruchkraft
Abb. 88: Bruchdehnung
Abb. 89: E-Modul
Abb. 90: Spaltfestigkeit
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
64(79)
Tab. 39: Scott Bond (J/m2)
Referenz 250 g/m
2
Referenz 300 g/m
181
2
Referenz 350g/m
219
Stroh_20%_250g/m
2
148
240
Stroh_20%_300g/m
2
166
Hafer 20%_250g/m
2
174
Hafer 20%_300g/m
176
2
Stroh_20%_350g/m
2
172
2
Hafer 20%_350g/m
2
184
Das spezifische Volumen und die Biegesteifigkeit konnten mittels eines Zusatzes
von 20 % gemahlenem Weizenstroh deutlich verbessert werden – bei nur
geringen Verlusten bei der Bruchkraft. Die Effekte waren bei einer hohen flächenbezogenen Masse von 350 g/m2 am deutlichsten ausgeprägt. Auch der
Zusatz von Haferspelzen verbesserte das spezifische Volumen und die Biegesteifigkeit, jedoch deutlich geringer ausgeprägt als beim Weizenstroh. Die
Gefügefestigkeit wurde durch den Zusatz der Faserersatzstoffe signifikant
reduziert.
11.3 Zusammenfassung
Insgesamt zeigte sich, dass das spezifische Volumen und die Biegesteifigkeit
durch den Zusatzes von 20 % von Faserersatzstoff signifikant verbessert wurden. Dabei traten nur relativ geringe Verluste bei der Bruchkraft auf.
Fazit
12
Ermittlung der Gesamtkosten
12.1 Vorgehen
Berücksichtigte
Parameter
Ziel war die Ermittlung der Gesamtkosten unter Berücksichtigung der Rohstoffpreise, Aufbereitungs- und Additivkosten. Zur Berechnung der Gesamtkosten
wurden die bisherigen Ergebnisse, die Messung weiterer energiespezifischer
Parameter, die Stoffströme und die Energieverbrauchsmengen der eingesetzten
Aggregate und Verfahrensstufen genutzt. Insbesondere wurden die Rohstoffkosten, die Mahlungskosten und eventuelle Mehrkosten durch eine organische
Zusatzbelastung der Kreisläufe betrachtet. Die ermittelten Kosten wurden mit
den Standardkosten für FSK verglichen.
12.2 Ergebnisse
Rohstoff- und
Aufbereitungskosten
Die Marktpreise von Reststoffe und Nebenprodukten aus der Lebensmittelherstellung überstreichen einen weiten Bereich. Für die Verwendung als Futtermittel
sind die Nährwerte ausschlaggebend. Die Preisspanne reicht von Entsorgungskosten für den Bereitsteller über eine nahezu kostenfreie Abgabe von Reststof-
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
65(79)
fen, einem Marktwert von 80 – 100 €/t bei Haferspelzen bis zu mehr als 300 €/t
bei nährreichen Stoffen, wie Rapspresskuchen. Für die energetische Nutzung
liefern Holzhackschnitzel einen preislichen Anhaltspunkt, der 2013 bei 90 – 100
€/t lag [16].
Höhere Aschegehalte verringern demgegenüber den Preis. Ein hoher Wassergehalt reduziert den energetischen Wert oder bedingt sogar die Bezahlung der
Entsorgung durch den Reststoffproduzenten. Aus dem Marktwert und damit den
Einkaufskosten von Faserersatzstoffen lässt sich der wirtschaftliche Spielraum
für Aufbereitung und Transport abschätzen, wenn klassische Papierfaserstoffe
unter Kostenvorteil ersetzt werden sollen.
Getreidestroh ist für eine Weiterverwertung einer der interessantesten landwirtschaftlichen Reststoffe. Es fällt in großen Mengen als Nebenprodukt des Getreideanbaus an und bietet sich als industriell nutzbare Biomasse an. Dabei ist
Stroh durch eine faserige Struktur geprägt. Es lässt sich als Faserrohstoff zur
Papierherstellung einsetzen.
In Deutschland kommen erhebliche Strohmengen für die stoffliche und energetische Verwertung in Betracht. Nachhaltig – das heißt unter Sicherung der Humusbilanz – nutzbar ist etwa ein Drittel der gewachsenen Getreidestrohmenge.
Dies entspricht in Deutschland rund 10 Mio. t/a. Die größten lokalen Strohangebote in Deutschland finden sich im Osten Schleswig-Holsteins und im Nordwesten Mecklenburg-Vorpommerns [17].
Soweit es nicht auf dem Acker als Humus- und Nährstoffquelle verbleibt, wird
das Halmmaterial vorrangig als Einstreu in der Großtierhaltung genutzt. Eine
energetische Nutzung (Verfeuerung, Biogaserzeugung oder Umwandlung zu
Bioethanol) wurde vereinzelt realisiert.
Stroh fällt nur während der Getreideernte im Spätsommer und Frühherbst an.
Daher ist zur Beschickung kontinuierlicher Anlagen eine Zwischenlagerung
notwendig. Zugleich bedingt das geringe Schüttgewicht (lose 20-50 kg/m³,
Hochdruckballen 50 – 110 kg/m³) einen wenig effizienten Transport. Diese
Aspekte können zu Bereitstellungskosten für den Rohstoff Stroh führen, die
umso höher sind, je größer der Bedarf einer Anlage und damit der Einzugskreis
sind.
Bei einer rein mechanischen trockenen Zerkleinerung erfolgt statt einer fasereine partikelförmige Aufbereitung. Das erzeugte Material wird klassische Faserstoffe nur zu einem Anteil ersetzen können. Auch für diesen kostengünstigen
Einsatzweg konnte eine für Karton vorteilhafte Volumenbildung gezeigt werden.
In der Tab. 36 sind die bei der Beschaffung und Aufbereitung der Rohstoffe zur
berücksichtigenden Parameter aufgelistet.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
66(79)
Tab. 40: Kosten für die Beschaffung und Aufbereitung von Reststoffen
der Lebensmittelerzeugung
Produkt
Beschaffungskosten im
Anfallzustand (€/t)
Logistikkosten
Reishülsen,
gemahlen
4
(Handelsware)
Weizenstroh
100
(MW: 100)
70 – 150
(MW: 110)
80 – 95
(MW: 87,5)
15
15
195
160
13,7
11,2
138,7
113,7
5
1
Haferspelzen
Altpapier
Aufwand für Aufbereitung:
Energieeinsatz für Zerkleinerung (Abschätzung auf Basis
2
Laborversuche) (kWh/t)
Kosten Energieaufwand
Mahlung (Basis: 70 €/MWht)
(€/t)
Investitionen für Aufberei3
tung
Kosten (€/t)
1
2
100
Annahme Umkreis von 100 km (LKW 0,15 €/t pro km)
Laborversuche zur Zerkleinerung:
Reishülsen
Durchsatz (kg/h)
Leistungsaufnahme (ohne
Leerlaufleistung) (W)
Zerkleinerung (kWh/t)
Additivkosten
80 – 150
Weizenstroh
Haferspelzen
3
3,9
650 – 750
650 – 750
210 – 250
165 – 190
3
Evtl. notwendige Investitionen (Zerkleinerungsaggregate, Silos,...)
4
Anfallkosten im Ursprungsland (Asien) FOB 60 bis 90 US $; 100 €/t als Bezugspreis
5
Der Strohpreis ist hoch volatil
Der Zusatz der untersuchten Faserersatzstoffe bedingt keine wesentlichen
Änderungen in den Papierrezepturen und daher keine signifikanten Mehrkosten.
Einflüsse auf Ab- Beim Zusatz der untersuchten Faserersatzstoffe sind keine negativen Auswirwasser und Recy- kungen auf die Wasserkreisläufe der Papiermaschine, das Abwasser und das
clingverhalten
Recyclingverhalten zu erwarten.
12.3 Zusammenfassung
Fazit
PTS-Forschungsbericht
Insgesamt sind beim Einsatz von Weizenstroh, Haferspelzen und Reishülsen
als Faserersatzstoffe mit dem Einsatz von Altpapier vergleichbare Rohstoffkosten zu erwarten. Im Vergleich zu Holzstoff (Kosten ca. € 150/t) ist ein deutliches
Einsparpotential vorhanden. Mit signifikanten Mehrkosten durch erhöhten
Additivbedarf und negativen Einflüssen auf das Abwasser und das Recyclingverhalten ist dabei nicht zu rechnen. Die Ergebnisse lassen damit den Schluss
zu, dass mit dem Einsatz von Faserersatzstoffen eine deutliche Verbesserung
des spezifischen Volumens und der Biegesteifigkeit bei gleichen oder reduzierten Rohstoffkosten erreicht werden kann.
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
13
67(79)
Benchmarking gegen Standard-AP-Stoff
13.1 Vorgehen
Berücksichtigte
Parameter
Im Rahmen der Arbeiten wurde ein Benchmarking gegen einen Standard-APStoff zur Herstellung von FSK durchgeführt. Die Kosten und Eigenschaften der
im Labor- und Technikumsmaßstab hergestellten Papiere wurden dazu mit
Standard-FSK-Sorten verglichen. Zum Vergleich der Papiereigenschaften
wurden die Spezifikationen mehrlagiger Faltschachtelkartonsorten herangezogen.
13.2 Ergebnisse
Vergleich mit den
Spezifikationen
verschiedener
FSK-Sorten
In Tab. 37 sind die Eigenschaften von im Rahmen des Forschungsvorhabens im
Labor- und Technikumsmaßstab hergestellten Papiermustern mit denen von
Standard-FSK-Sorten vergleichend dargestellt.
Tab. 41: Vergleich der hergestellten Papiere mit Standard-FSK
PTS-Forschungsbericht
Flächenbez.
Masse
2
(g/m )
Dicke
(µm)
UD
350
440
GD2 A
250
GD2 B
Berstdruck
(kPa)
Biegesteifigkeit
(Nmm)
Spaltfestigkeit
2
(J/m )
Spez.
Volumen
3
(cm /g)
MD
CD
760
11
6
190
1,26
340
–––
15
7
> 150
1,36
210
275
–––
10
4
> 150
1,31
GT A
350
440
760
11
6
190
1,26
GT B
350
510
760
15
7
190
1,46
GT C
250
340
–––
16
8
> 150
1,36
Laborblätter 3lagig, AP
250
350
400
580
–––
–––
13,5
42
13,5
42
181
240
1,61
1,60
Laborblätter 3lagig, AP
+ 20 % Stroh
250
360
450
650
–––
–––
16
52
16
52
148
172
1,77
1,81
Laborblätter 3lagig, AP
+ 20 % Hafer
250
360
440
610
–––
–––
15
40
15
40
174
184
1,71
1,68
VPM Duplex1
(20 % Stroh)
197
443
–––
12
4
146
2,25
VPM Duplex 2
(20 % Hafer)
196
389
–––
8
3
150
1,98
VPM Duplex 3
(35 % Stroh)
200
530
–––
15
5
87
2,64
VPM Duplex 4
(35 % Hafer)
198
387
–––
8
3
139
1,95
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
68(79)
In den Laborversuchen konnten das spezifische Volumen und die Biegesteifigkeit bei Zusatz von 20 % Weizenstroh- bzw. Haferspelzenmehl im Vergleich zu
Standard-Triplexkartonen deutlich gesteigert werden. Die Gefügefestigkeit
erreichte die Werte von Standard-FSK.
Im Vergleich zum Standard-Duplexkartonen konnte mit allen VPM-Versuchspapieren eine deutliche Steigerung des spezifischen Volumens erreicht werden.
Die Biegesteifigkeit lag beim Einsatz von 20 % und 35 % Weizenstroh bei
vergleichbaren Werten. Beim Einsatz von 20 % und 35 % Haferspelzen wurde
eine deutliche Abnahme im Vergleich zum Standard-FSK beobachtet. Die
Spaltfestigkeit lag bei den VPM-Duplexpapieren mit Ausnahme des Papiers mit
35 % Weizenstroh bei mit Standard-FSK im vergleichbaren Bereich. Insgesamt
konnte mit einer Zugabe von 20 % Weizenstroh eine deutliche Steigerung des
spezifischen Volumens ohne Verlust an Biegesteifigkeit erzielt werden.
13.3 Zusammenfassung
Sowohl in den Labor- als auch den Technikumsversuchen konnten das spezifische Volumen und die Biegesteifigkeit durch den Zusatz von Faserersatzstoffen
im Vergleich zu Standard-FSK deutlich gesteigert werden.
Fazit
14
Versuche auf der Versuchspapiermaschine
14.1 Vorgehen
Rohstoffe und
Additive
Auf der Basis der bisherigen Ergebnisse wurde die den Zielgrößen am besten
entsprechende Variante als Mehrlagenprodukt erzeugt. Ziel war die Validierung
der Übertragbarkeit vom Labormaßstab auf den kontinuierlichen Papierherstellungsprozess.
Die Versuchspapiermaschine wurde in Duplexfahrweise betrieben. Als Rohstoff
für die Decklage (Unterbahn, flächenbezogene Masse ca. 45 g/m2) wurde reiner
Zellstoff, für die Mittellage (flächenbezogene Masse ca. 150 g/m2) ein Gemisch
aus einem Standard-Altpapier (Wellenstoff) und den gemahlenen Faserersatzstoffen (Teilchengrößenbereich 100 – 150 µm) verwendet.
Es wurden keine Füllstoffe zugegeben. Als Additive wurden Retentionsmittel auf
Basis von Polyvinylamin und kationische Stärke eingesetzt.
14.2 Ergebnisse: Papiertechnische Charakterisierung der VPM-Papiermuster
Papiereigenschaften
Die Tab. 38 zeigt die Zusammensetzung der auf der VPM gefertigten Mittellagen
und der Duplexpapiere (fett). UB: Unterbahn.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
69(79)
Tab. 42: Zusammensetzung der Einzellagen und der Duplexpapiere
Bez.
Ref UB
Erläuterung
Mittellage 100% Altpapier
REF1
Duplex: Mittellage 100% Altpapier/Decklage 25 % LF:75 % KF
4-2 UB
Mittellage 65 % Altpapier + 35 % Hafer
4
Duplex: Mittellage 65 % Altpapier + 35 % Hafer/Decklage 25% LF:75 % KF
3 UB
3
Mittellage 65 % Altpapier + 35 % Stroh
2 UB
Duplex: Mittellage 65 % Altpapier+35 % Stroh/Decklage 25 % LF:75 % KF
Mittellage 80 % Altpapier + 20 % Hafer
2
Duplex: Mittellage 80 % Altpapier + 20 % Hafer/Decklage 25% LF:75 % KF
1 UB
1
Mittellage 80 % Altpapier + 20 % Stroh
Duplex: Mittellage 80 % Altpapier + 20 % Stroh/Decklage 2 % LF:75 % KF
In Tab. 39 – Tab. 41 sind die Papiereigenschaften zusammengestellt.
Tab. 43: Papiereigenschaften: flächenbezogene Masse und spez. Volumen
Ref UB
145
261
1,87
Spez.
Volumen
3
(cm /g)
1,80
Blattbezeichnung
Flächenbez.
Dicke
Masse (g/m²) VK (µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
REF1
199
346
1,93
1,74
4-2 UB
140
301
1,57
2,15
4
198
387
1,71
1,95
3 UB
156
436
1,21
2,79
Spaltfestigkeit
2
(J/m )
258
139
3
200
530
1,26
2,64
2 UB
137
284
1,62
2,07
87
2
196
389
1,69
1,98
150
1 UB
1
151
197
361
443
1,40
1,48
2,39
2,25
146
Tab. 44: Papiereigenschaften
PTS-Forschungsbericht
Blattbezeichnung
Flächenbez.
Masse (g/m²)
Breitenbezogene
Bruchkraft (N/m)
Bruchdehnung (%)
Reißlänge (m)
Ref UB MD*
144,9
8460
2,1
5953
Ref UB CD**
144,9
3952
3,6
2781
REF1 MD
199,4
12034
2,6
6151
REF1 CD
199,4
5522
6,0
2823
4-2 UB MD
139,9
6278
1,9
4576
4-2 UB CD
139,9
2288
2,5
1668
4 MD
198,1
9718
2,9
5001
4 CD
198,1
4026
5,7
2072
3 UB MD
156,3
3308
1,7
2158
3 UB CD
156,3
1422
2,4
928
3 MD
200,3
6212
2,1
3162
3 CD
200,3
2568
4,3
1307
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
70(79)
2 UB MD
137,1
6584
2,1
4894
2 UB CD
137,1
2664
2,8
1980
2 MD
196,3
9702
2,7
5039
2 CD
196,3
3950
5,6
2051
1 UB MD
151
5412
2,3
3650
1 UB CD
151
2388
3,2
1611
1 MD
197
8208
2,5
4238
1 CD
197
3264
3,8
1685
*MD: Maschinenrichtung (machine direction)
**CD: Querrichtung (cross direction)
Tab. 45: Papiereigenschaften
Blattbezeichnung
E-Modul
(N/mm²)
Biegesteifigkeit
(Nmm)
Streifenstauchwiderstand
(kN/m)
Ref UB MD
3159
2,792
4,1
Ref UB CD
1409
1,408
2,6
REF1 MD
2916
7,808
5,8
REF1 CD
1294
4,215
3,5
4-2 UB MD
2091
2,718
2,8
4-2 UB CD
743
1,023
1,6
4 MD
2142
7,694
3,9
4 CD
816
3,390
2,2
3 UB MD
859
3,500
1,9
3 UB CD
271
1,457
1,1
3 MD
1231
14,638
2,3
3 CD
371
4,512
1,4
2 UB MD
2356
2,239
3,1
2 UB CD
910
0,952
1,8
2 MD
2252
8,117
4,1
2 CD
790
3,326
2,3
1 UB MD
1541
3,589
2,7
1 UB CD
592
1,552
1,6
1 MD
1845
11,628
3,0
1 CD
650
3,911
1,9
14.3 Zusammenfassung
Fazit
PTS-Forschungsbericht
Die Ergebnisse zeigten, dass die im Labormaßstab gewonnenen Ergebnisse
auf den kontinuierlichen Papierherstellungsprozess übertragen werden konnten.
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
71(79)
Bei den Versuchen auf der VPM konnten bis zu 20 % Weizenstroh als Faserersatzstoff ohne Festigkeitsverlust zugegeben werden. Das spezifische Volumen
wurde dabei signifikant erhöht.
15
Bewertung der Nachhaltigkeit
15.1 Vorgehen
Herstellung von
Laborblättern
Im Rahmen der Untersuchungen wurde die Nachhaltigkeit bei Einsatz von
Faserersatzstoffen mit der bisherigen Technologie zur Fertigung von Karton
gegenübergestellt. Schwerpunkt war die Bestimmung der Umweltverträglichkeit
und Wirtschaftlichkeit anhand ausgewählter Kriterien.
Zunächst wurden Laborblätter zur Untersuchung der Rezyklierbarkeit hergestellt.
Das Prozesswasser wurde durch Kreislaufführung aufgefangen.
Rezepturbestandteile: Zellstoff, kationische Maisstärke, cPAM, Weizenstroh und
Haferspelzen, gemahlen mittels Schlagnasenmühle.
Vorbereitung:
Zellstoff: Aufschlagen nach Standardverfahren (10 Minuten Aufbereitung in Aufschlaggerät, Verdünnung im Stoffverteiler auf 0,5 % Stoffdichte)
Stärke: 12,5 g kationische Stärke in 400 ml warmes Leitungswasser über ein
Teesieb unter Rühren einsieben und bei 95 °C 50 Minuten Aufkochen, dann
langsam unter gelegentlichem Schwenken auf Raumtemperatur abkühlen. Anschließend unter Rühren über Schopper-Riegler Sieb (von PCD-Messung) in ca.
400 ml kaltes Leitungswasser abfiltrieren. Lösung mindestens 10 Minuten Rühren.
Anschließend Trockengewichtsbestimmung mit je 5 ml Lösung (Zielwert ca. 1 %)
Hafer, Weizenstroh: in Wasser aufrühren und als Slurry einsetzen.
cPAM: 1,0 g/1000 g Wasser unter starker Scherung in Leitungswasser lösen. Mit
verd. Schwefelsäure zum Stabilisieren auf pH 5 einstellen.
Tab. 46: Rezepturen
Rezyklierbarkeit
Zellstoff
LF/KF 60 : 40
Kat.
Stärke
cPAM
Haferspelzen
Weizenstroh
Referenz
99,49
0,50
0,015
0
0
20 % Hafer
79,46
0,50
0,04
20
0
20 % Stroh
79,46
0,50
0,04
0
20
Die bei Einsatz der Faserersatzstoffe anfallenden Prozesswässer wurden
anhand der für die Abwasserüberwachung relevanten Parameter (CSB, BSB5,
Nitrat-/Nitrit-/Ammonium-N und Pgesamt) charakterisiert. Ferner wurden auch die
neuen Parameter berücksichtigt, die mit Inkrafttreten des revidierten Anhangs 28
im Sept. 2015 [18] wirksam werden. Dabei handelt es sich um den TOC (total
organic carbon), TNb (total nitrogen bound) und um den WasserlinsenWachstumshemmtest.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
72(79)
Anhand dieser Parameter kann die Umweltverträglichkeit in Form der biologischen Abbaubarkeit und der aquatoxikologischen Wirkung auf die kleine Wasserlinse Lemna minor im Abgleich zum Prozesswasser aus der Standardrezeptur beurteilt werden.
15.2 Ergebnisse
15.2.1 Papiereigenschaften
Retention,
flächenbezogene
Masse
In Tab. 43 sind die Gesamtretention und die flächenbezogene Masse nach 1, 2
und 3 Rezyklingzyklen aufgelistet. Es konnten keine signifikanten Veränderungen festgestellt werden.
Tab. 47: Gesamtretention, flächenbezogene Masse
Blattnr.
Blattbez.
1
Haferspelzen
Gesamtretention
(%)
99,4
2
1.Rezyklierung
Weizenstroh
101,7
214
23
20 % Haferspelzen Rez. 1
101,7
214
26
20 % Haferspelzen Rez. 1
101,5
213
26
20 % Weizenstroh Rez. 1
102,0
214
29
30
2.Rezyklierung
20 % Weizenstroh Rez. 1
20 % Weizenstroh Rez. 1
99,6
99,7
209
209
25
20 % Haferspelzen Rez. 2
101,5
213
30
23
26
3.Rezyklierung
20 % Haferspelzen Rez. 2
20 % Weizenstroh Rez. 2
20 % Weizenstroh Rez. 2
100,0
100,8
101,4
210
212
213
Flächenbez.
Masse (g/m²)
209
21
20 % Haferspelzen Rez. 3
99,9
210
22
19
23
20 % Haferspelzen Rez. 3
20 % Weizenstroh Rez. 3
20 % Weizenstroh Rez. 3
100,3
99,6
99,6
211
209
209
Dicke, Rohdichte, In Tab. 44 sind die Dicke, die Rohdichte und das spezifische Volumen nach 1, 2
und 3 Rezyklingzyklen aufgelistet. Auch hier wurden keine signifikanten Veränspez. Volumen
derungen gefunden.
Tab. 48: Dicke, Rohdichte, spezifisches Volumen
PTS-Forschungsbericht
Blattbez.
Dicke VK*
(µm)
Rohdichte
VK (g/cm³)
spezifisches
Volumen
3
(cm /g)
Haferspelzen
403
0,52
1,93
Weizenstroh
442
0,48
2,07
20 % Haferspelzen Rez. 1
399
0,53
1,87
20 % Haferspelzen Rez. 2
386
0,54
1,84
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
73(79)
20 % HaferspelzenRez. 3
384
0,55
1,82
20 % Weizenstroh Rez. 1
406
0,52
1,94
20 % Weizenstroh Rez. 2
402
0,53
1,89
20 % Weizenstroh Rez. 3
384
0,54
1,84
*VK: vor Kalander
Bruchdehnung,
Bruchkraft,
Biegesteifigkeit,
E-Modul
In Tab. 45 sind die Bruchkraft, die Bruchdehnung und die Biegesteifigkeit nach
1, 2 und 3 Rezyklingzyklen aufgelistet. Die Untersuchungen zeigten eine geringfügige Zunahme der Bruchkraft und der Biegesteifigkeit.
Tab. 49: Bruchdehnung, breitenbezogene Bruchkraft, Biegesteifigkeit, E-Modul
Blattbezeichnung
Bruchdehnung
(%)
Breitenbezogene
Bruchkraft
(N/m)
Reißlänge
(m)
Haferspelzen
2,3
5392
2632
1463
5,009
Weizenstroh
2,3
4778
2280
1216
5,742
20 % Haferspelzen Rez. 1
2,1
5040
2406
1361
4,852
20 % Haferspelzen Rez. 2
2,2
5260
2533
1424
5,055
20 % Haferspelzen Rez. 3
2,4
5445
2640
1381
5,098
20 % Weizenstroh Rez. 1
2,3
4670
2247
1279
5,334
20 % Weizenstroh Rez. 2
2,3
5430
2607
1515
5,923
20 % Weizenstroh Rez. 3
2,1
5293
2580
1469
5,779
BiegeE-Modul
steifigkeit
(N/mm²)
(Nmm)
Abb. 91: Biegesteifigkeit
Ergebnisse
Die Ergebnisse zeigten, dass die Papiereigenschaften durch einen mehrfachen
Recyclingvorgang nicht signifikant verändert wurden. Bei Bruchkraft und Biegesteifigkeit wurde eine geringfügige Verbesserung festgestellt.
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
74(79)
15.2.2 Prozess-/Abwasserbelastung
Wasseranalytik
Die Messungen wurden an den abgesetzten Proben vorgenommen. Zur Beurteilung der Gesamtbelastung wurden einzelne Parameter auch an den homogenisierten Proben bestimmt. Tab. 46 fasst die abwasseranalytischen Ergebnisse
zusammen.
Tab. 50: Wasseranalytik
Technikum
Labor
Probenbezeichnung
BSBhom BSBhom/
CSBhom
mg/l
Dw
-
-
o-PO43-P mg/l
-
-
-
-
1,06
<MB
-
-
1,36
-
-
-
1,11
-
-
-
1,11
<MB
-
-
1,05
<MB
-
≤2
0,66
4,88
1,01
0,73
8
0,67
2,84
0,61
0,21
≤2
NH4+-N NO3--N NO2--N Nges,anorg
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
-
CSB
mg/l
CSBhom
mg/l
TOC
mg/l
TOChom
mg/l
20% Haferspelzen Rez. 1
37
-
14
-
-
-
-
20% Haferspelzen Rez. 2
24
-
8
-
-
-
-
-
-
-
-
20% Haferspelzen Rez. 3
15
64
5
22
12
0,19
< 10
0,03
1,39
<MB
20% Weizenstroh Rez. 1
48
-
13
-
-
-
-
-
-
20% Weizenstroh Rez. 2
22
-
8
-
-
-
-
-
-
-
20% Weizenstroh Rez. 3
30
79
11
27
18
0,23
< 10
0,03
1,43
<MB
1,46
Ref.probe
132
421
49
130
48
0,11
30
0,04
0,27
<MB
0,31
Vers. 2 20% Haferspelzen
580
1062
171
266
112
0,11
55
0,31
0,33
0,02
Vers. 1 20% Weizenstroh
191
666
69
122
57
0,09
47
0,17
0,47
0,03
Bewertung
Prozesswasserbelastung und
Abbaubarkeit
AOX
μg/l
TNb
mg/l
Pges
mg/l
1,49
1,23
1,42
-
-
Zur Bewertung der Prozesswässer wird auf die Technikumsversuche zurückgegriffen, da die Prozesswässer aus der Laborblattbildung eine erheblich geringe
Belastung aufweisen und von realen Abwasserbelastungen weit entfernt sind.
Typischerweise sind alle drei Prozesswässer mit abfiltrierbaren Feststoffen hoch
belastet, was sich in den beträchtlichen Differenzen von CSB(TOC)hom zum
CSB(TOC) der abgesetzten Proben wiederspiegelt.
Das ungewöhnlich niedrige Verhältnis BSBhom:CSBhom von ∼ 0,1 in allen drei
Proben weist darauf hin, dass die abfiltrieren Stoffe dem biochemischen Abbau
bei der BSB5-Bestimmung nicht zugänglich sind. Prozesswässer aus der Verarbeitung von Altpapier nach Vorklärung weisen üblicherweise ein BSB:CSBVerhältnis um 0,5 auf und können damit als biologisch gut abbaubar eingestuft
werden [19]. Einer gut funktionierenden chemisch-mechanischen Vorklärstufe
bei der biologischen Reinigung dieser Prozesswässer kommt somit eine erhebliche Bedeutung zu. Bezieht man die Werte BSBhom auf den CSB der abgesetzten
Proben, so liegen die BSB:CSB-Verhältnisse im Bereich von 0,19 bis 0,36 und
indizieren damit eine bessere biologische Abbaubarkeit als die mit Feststoff
belasteten Wässer.
Der Ersatz von Altpapier durch Haferspelzen und Weizenstroh erhöht die
organische CSB-Belastung in den abgesetzten Proben um den Faktor 4 bzw. 1,5
und damit beträchtlich. Diese zusätzliche organische Belastung/Fracht muss von
den Anaerobstufen, die üblicherweise bei Altpapier verarbeitenden Werken als
erste biologische Hochlaststufe vorhanden sind, bewältigt werden. Der positive
Aspekt aus dieser höheren organischen Belastung ist der zusätzliche Energiegewinn bei der Anaerobreinigung, der mit ca. 0,4 Nm3 Biogas/abgebauten kg
CSB zu veranschlagen ist.
In Hinblick auf den Parameter AOX sind alle drei Prozesswässer mit Werten von
0,40 ± 0,15 μg/l als sehr gering belastet zu werten. Eine gleichlautende Aussage
gilt für die N-Parameter. Zum ordnungsgemäßen Betrieb der biologischen
Reinigungsstufen ist also weiterhin die Dosierung von N-Nährstoffen, z. B. in
Form von Harnstoff, erforderlich. Beim Parameter Pges zeigen die Prozesswässer
aus dem FES-Einsatz Werte von 0,6 und 1,0 mg/l, darin liegen sind 0,2 bzw. 0,7
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
75(79)
mg/l als ortho-PO43--P vor, die als P-Nährstoff für die biologische Abwasserreinigung zur Verfügung stehen. Es zeichnet sich somit ein geringes Einsparpotential
an P-Nährstoffen ab. Die genaue Zusammensetzung von Pges aus dem bioverfügbaren ortho-Phosphat und aus nicht bioverfügbaren Anteilen (organische PVerbindungen) sollte jedoch in weitergehenden Untersuchungen genauer
untersucht werden.
Aquatoxikologische Wirkung
Die Bestimmung der aquatoxikologischen Wirkung gegenüber Lemna minor
erfolgte gemäß DIN EN ISO 20079 und mit in den in [20] erprobten und bewährten Verdünnungsstufen D = 2, 6, 8, 12, 24 und 48. Da im vorliegenden Projekt
die abgesetzten Proben untersucht werden, lassen sich die ermittelten Dw-Werte
mit den in [20] erstmals untersuchten Proben „Ablauf Vorklärung“ gut vergleichen.
Biologisch nicht behandelte Papierfabrikabwässer zeigen meist eine leicht
erhöhte bis höhere Wasserlinsen-Toxizität im Bereich Dw = 6 … 24, nur in
Einzelfällen wurden Dw-Werte ≤ 2 bzw. 48 ermittelt. Insofern fügen sich die hier
ermittelten Werte von Dw ≤ 2 bzw. = 8 gut in die aktuellen Erkenntnisse ein. Da in
100 % Altpapier verarbeitenden Werken ohne Deinking-Linie die WasserlinsenToxizität im Verlauf der anaerob-aeroben Abwasserreinigung weiter verringert
wird, lässt sich auch unter dem Aspekt der aquatoxikologischen Wirkung keine
negative nachhaltige Wirkung beim Einsatz von FES ableiten.
15.3 Zusammenfassung
In Hinblick auf die Belastung und des Prozesswassers und demzufolge auch
des Abwassers mit organischen Inhaltsstoffen (CSB, TOC, AOX) sowie anorganischen Verbindungen (Ammonium, Nitrat, Nitrit und ortho-Phosphat) und in
Hinblick auf die aquatoxikologische Wirkung auf Lemna minor resultieren aus
dem FES-Einsatz keine schwerwiegenden Probleme bei der Abwasserreinigung.
Fazit
16 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Flexibilität beim
Sortenprogramm
Die Herstellung mehrlagiger Verpackungskartons mit geringer Rohdichte auf
der Basis von Faserersatzstoffen ist vor allem für kleine und mittlere Unternehmen interessant. Vor allem diese Betriebe sind in der Lage, flexibel verschiedene faserersatzstoffhaltige Spezialpapiere herzustellen. Hier bietet sich gerade
für KMU eine besondere Chance, eine neue Produktlinie aufzubauen und einen
neuen Kundenkreis zu erreichen.
Beitrag zu Nachhaltigkeitszielen
Die Ergebnisse des Projekts können in vielerlei Hinsicht einen Beitrag zu den
Nachhaltigkeitszielen leisten. Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten wurde der
Umgang mit den Rohstoffressourcen besonders berücksichtigt. Dies liefert
einen deutlichen Beitrag zur Nachhaltigkeit durch eine erhöhte Wertschöpfung
und Einsparung von Ressourcen, wie Altpapier oder Frischfasern durch die
Nutzung der Produkte im vorhandenen Altpapierkreislauf. Die Arbeiten stehen
im Einklang mit der Zielstellung des CEPI Strategiepapiers „2050 Roadmap to a
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
76(79)
low carbon bio-economy”, dessen Hauptziele die Erhöhung der Wertschöpfung
aus verfügbaren Ressourcen sowie eine Energie- und CO2-Reduktion im
Rahmen der Produktion darstellen. Dies ist von großer Bedeutung für die
rohstoff- und energieintensive mittelständische Papierindustrie
Kostenersparnisse für KMU:
Modellrechnung
Einer der Nutzenaspekte soll an einen Beispiel ausgeführt werden: Lässt sich
der Anteil an Holzstoff in der Mittellage eines mehrlagigen Verpackungskartons
um 10 % senken, ergeben sich z. B. bei einer Produktion von 80.000 t/a bei
typischen Energiepreisen (€ 70/MWh) Einsparungen von über 120.000 €/a.
Nimmt man einen Holzstoffanteil von ca. 50 % bei mehrlagigem Verpackungskarton (230 g/m2) – entspricht 500 kg/t in der Mittellage – an und kann die
Menge an Holzstoff auf 450 kg/t gesenkt werden, ergibt sich eine Einsparung
von 50 kg Holzstoff/t Karton. Bei einer Produktionsmenge von 80.000 t/a beläuft
sich die Einsparung auf 4.000 t Holzstoff pro Jahr.
Der Energiebedarf für die integrierte Steinschlifferzeugung liegt bei 2.250 kWh/t.
Bei einem angenommenen Energiepreis von € 70/t entspricht dies einem
Rohstoffpreis von ca. € 150/t. Die Preisdifferenz zu einem Faserersatzstoff
(Gesamtkosten: € 120/t) beträgt damit ca. € 30/t. Der Ersatz von 4.000 t Holzstoff durch Fasersatzstoff ergibt eine Einsparung im Gesamtwert von ca. €
120.000.
Wettbewerbsvorteile durch
Innovation
Für KMU der Papier- und Kartonindustrie erschwert sich das Geschäft im
Bereich von Massenprodukten (z. B. grafische oder Verpackungspapiere). Die
Nachfrage nach Spezialprodukten mit hoher Wertschöpfung ist stark gestiegen.
Dies zeigt, dass innovative und neue Produkte mehr denn je gefragt sind.
Kosteneinsparungen
KMU verkaufen ihre Produkte häufig über spezielle Qualitäten und sind zu
ständigen Produktivitätsverbesserungen und Kosteneinsparungen gezwungen.
Neues Produkt
Das Einbringen von Reststoffen der Lebensmittelindustrie als Faserersatzstoffe
ist noch nicht Stand der Technik. Damit bietet sich eine Chance für KMU,
innovative Papierprodukte zu entwickeln und herzustellen.
Innovationspotential für
KMU
Für Papierhersteller bietet sich ein alternativer Rohstoff zu Altpapier und Holzstoff. Damit sind neue, preisgünstig herstellbare Produkte mit positivem Umweltimage zugänglich. Statt einer energetischen Nutzung werden Reststoffe
stofflich wiederverwertet (Kaskadennutzung). Den Papierverarbeitern und
Verpackungsherstellern steht ein verbesserter Werkstoff zur Verfügung, der die
Produktion leichterer Verpackungen durch den höheren Bulk erlaubt. Damit
bieten sich Vorteile im Bereich der Transportkosten und der Logistik. Außerdem
besteht die Möglichkeit neuer Geschäftsfelder durch die Herstellung systemischer Verpackungen. Getreidemühlen können preisgünstiger Nebenprodukte/Reststoffe als wertvolle Rohstoffe für die Papierindustrie vermarkten. Für
Spezialmaschinenbauer (Hersteller von Mühlen/Aufbereitungsmaschinen)
besteht die Aussicht auf zusätzlichen Umsatz.
FuE-Kapazitäten
bei KMU
Angesichts der geringen eigenen Forschungs- und Entwicklungskapazitäten
von KMU ist es von großer Bedeutung für ihre Wettbewerbsfähigkeit, systematische und übertragbare Erkenntnisse zur Optimierung von Papierrezepturen
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
77(79)
sowie von Prozess- und Qualitätsparametern zur Erhöhung ihrer Anlagenproduktivität und zur Verbesserung ihrer Produktqualität zu erhalten. In der Regel
besitzen kleine und mittlere Unternehmen keine eigenen FuE-Kapazitäten.
Daher besteht signifikanter Konzeptions- und Beratungsbedarf.
17 Schlussfolgerungen
Resümee
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts haben die Einsetzbarkeit biogener
Faserersatzstoffe bei der Herstellung von Karton und Pappe zur Volumenbildung bestätigt. Verluste bei E-Modul und Zugfestigkeit können durch die
Volumensteigerung mehr als kompensiert, und die Biegesteifigkeit des Produkts
kann gesteigert werden. Zusätzlich sind beim Einsatz der untersuchten Faserersatzstoffe in Papierprodukten reduzierte Umweltbelastungen zu erwarten.
Nebenprodukte der Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie mit keinem oder
geringem Marktwert können damit heutige Faserstoffe – insbesondere Altpapier
und Holzstoff – in Papierprodukten anteilig ersetzen. Mit Faserersatzstoffen, vor
allem auf Basis von gemahlenem Stroh, kann der Papierindustrie damit ein
preiswerter Rohstoff zur Produktion von Faltschachtelkarton mit hohem spezifischem Volumen und hoher Biegesteifigkeit zur Verfügung gestellt werden. Dies
ermöglicht Kosteneinsparungen, modifizierte Produkteigenschaften, reduzierte
Umweltbelastungen und ökologische Verkaufsargumente.
Damit sind kleine und mittlere Unternehmen der Papierbranche in der Lage,
Faltschachtelkarton unter verbesserten Rahmenbedingungen zu produzieren
und mit ihren Endprodukten gleichzeitig einen zunehmend ökologisch ausgerichteten Endnutzermarkt anzusprechen. Die Ergebnisse bieten auch die Basis
für eine Weiterentwicklung von Verpackungskartons, u. a. im Rahmen weiterführender Forschungsvorhaben.
18 Literaturverzeichnis
1 N.N.
Papier 2014 – Ein Leistungsbericht, VDP Bonn
2 BENGTSSON, G.
CTMP in production of high quality packaging board
(2005) International Mechanical Pulping Conference, 7-13., Oslo
3 DENG C., RETULAINEN E., PALOKANGAS A. and NAZHAD M.
Improving the bending stiffness of folding boxboard
(2001) APPITA Annual General Conference, 1, 251-258
4 N.N.
Füllstoff für die Herstellung von Papier, Herstellungsverfahren hierfür und seine Verwendung
Patent DE102004059283B4 12.03.2009
5 http://www.jrs.de/wDeutsch/anwend/chemie/anwend_papier.shtml
6 KÖPENICK M.
Expanding board's horizons
(2008) PPI Pulp and Paper International, 50 (12), 27-28
7 LEONHARDT, P
Praktische Aspekte bei der Anwendung von Stärke im Wet-End
Vortrag beim PTS-Seminar „Wet-End-Prozesse: Effizienter Einsatz chemischer Additive“ (WE 1142),
03. – 04.05.2011 in München
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
R. Grenz, S. Schramm: Faserersatzstoffe
78(79)
8 GROSSMANN, H., ERHARD, K., WEBER, P.G., KRETZSCHMAR, J. und BRENNER, T.
Erhöhung der Festigkeiten von Papieren durch den optimierten Einsatz von Trockenverfestigungsmitteln
Schlussbericht des INFOR-Projekts 138, Dresden/Heidenau (2011)
9 ROOS, A.A., PERSSON, T., KRAWCZYK, H., ZACCHI, G. and STÅLBRAND, H.
Extraction of water-soluble hemicelluloses from barley husks
(2009) Bioresour Technol, 100, 763-769
10 MONTPLAISIR, D., DANEAULT, C. and CHABOT, B.
Cationization of thermomechanical pulp fibres. Part 1. Grafting reaction optimization
(2006) Pulp Paper Can, 107 (10), 29
11 MONTPLAISIR D., CHABOT B. and DANEAULT C.
Cationisation of thermomechanical pulp fibres. Part 2: Influence on strength and retention
(2006) Pulp and Paper Canada, 107 (11), 39-42
12 SCHOTT, S. ET AL.
Valorisation of different agricultural crops in papermaking applications
Pulp and Paper Science and Technology: Papermaking Science and Technology, 167-172, 2003
13 NECLAW, A.; WESTENBROEK, A.; HEINEMANN, S. and OLEJNIK, K.
Alternative raw materials and their effect on pulp dewatering and paper properties
Paper Technology 52:3, 19-22, 2012
14 ZELLER, V. ET AL.
Basisinformationen für eine nachhaltige Nutzung von landwirtschaftlichen Reststoffen zur Bioenergiebereitstellung
DBFZ Report Nr. 13. Deutsches Biomasseforschungszentrum (2012)
15 SAIJONKARI-PAHKALA, K.
Non-wood plants as raw material for pulp and paper
Academic dissertation, MTT Agrifood Research, Finland 2001
16 N.N.
Basisdaten Bioenergie Deutschland August 2013
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe 2013
17 N.N.
Jahresbericht 2012/2013
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe 2013
18 ÖLLER H.-J.
Der Wasserlinsentest für die Abwasserüberwachung
IN: PTS-Seminar AR 1419 „Betrieb biologischer Abwasserreinigungsanlagen“, 08. - 09.10.2014,
G. Weinberger und H.-J. Öller (Hrsg.), PTS München (2014)
19 MÖBIUS Ch.
Abwasser der Papier- und Zellstoffindustrie; 4. Auflage, Dezember 2010, Version 4.14 – Dezember 2014
http://www.cm-consult.de/download/AbwasserCM_414.pdf (Zugriff 07.01.2015)
20 ÖLLER H.-J.
Bewertung der aquatoxikologischen Wirkung von Papierfabriksabwässern anhand des Lemna-Tests und Ursachenermittlung bei erhöhten Dw-Werten. PTS-Forschungsbericht 20/14
München: Papiertechnische Stiftung PTS (März 2014), 47 S.
http://www.ptspaper.de/forschungsdatenbank
PTS-Forschungsbericht
www.ptspaper.de
PTS-FB 26/14
www.ptspaper.de
Papiertechnische Stiftung
Heßstraße 134 · 80797 München · Telefon +49 (0)89-12146-0 · Telefax +49 (0)89-12146-36 · Mail [email protected]
Pirnaer Straße 37 · 01809 Heidenau · Telefon +49 (0)3529-551-60 · Telefax +49 (0)3529-551-899 · Mail [email protected]

Gebrauchsanleitung A4 modifizierter Hebel Beck

1:1 Zuordnungsaufgaben

Funktionalisierung von Papieroberflächen

ABB Kaufel Neuer Gebietsverkaufsleiter

Wurzeln

Stellung gehalten

PDF downloaden

ABB Selfie-Wettbewerb Teilnahmebedingungen

WLAN-Verbindung einschalten und zwischen WLAN